Неделимый цельный атом древности оказался не просто делимым: выяснилось, что внутри него огромное количество пустого пространства, в котором находятся странные частицы, ведущие себя странным образом. Бор предложил модель, которая ставила некоторые особенности их странного поведения в контекст, близкий к повседневному. Хотя в некотором роде и лучше отказаться от всех обычных идей, прежде чем полностью погрузиться в квантовый мир, большинство людей с радостью делают паузу, чтобы разобраться с моделью Бора, прежде чем совершить это погружение. Давайте остановимся на полпути от классической физики к квантовой теории, чтобы перевести дух, немного отдохнуть и только потом ступить в неизвестность. Но не будем тратить время и силы на то, чтобы отследить все ошибки и полуправды, которые возникали в процессе постепенного развития модели Бора и ядра вплоть до 1926 года. Вместо этого я взгляну на атом Бора из 1980-х, чтобы описать современное прочтение идей Бора и его коллег, включая несколько кусочков мозаики, которые, в общем-то, обрели свое место гораздо позже.
Атомы крайне малы. Число Авогадро является числом атомов водорода в одном грамме газа. В повседневной жизни мы не встречаемся с газом водорода, однако чтобы хоть как-то представить себе, насколько малы атомы, давайте вообразим кусок углерода – уголь, алмаз или сажу. Поскольку каждый атом углерода весит в двенадцать раз больше атома водорода, такое же число атомов углерода, как в грамме водорода, весит двенадцать граммов. Ложка сажи, довольно крупный алмаз или довольно маленький кусок угля весят примерно по десять граммов. Именно столько углерода содержит число атомов, равное числу Авогадро – 6 × 10 (шестерка с двадцатью тремя нулями). Как поместить это число в перспективу? Огромные числа часто называют "астрономическими", а многие астрономические числа действительно огромны, поэтому давайте попытаемся найти сравнимо крупное число в астрономии.
По оценкам астрономов, возраст Вселенной составляет чуть меньше 15 миллиардов лет, 15 × 10. Очевидно, что 10 гораздо больше, чем в 10. Давайте превратим возраст Вселенной в еще большее число, используя минимальную единицу времени, которую можно легко ощутить, – секунду. В году 365 суток, в сутках 24 часа, а каждый час состоит из 3600 секунд. Округлив, получим, что год содержит около 32 миллионов, или 3 × 10, секунд. Таким образом, 15 миллиардов лет содержат в себе 45 × 10 секунд, ведь для перемножения чисел вроде 10 и 10 необходимо сложить их степени, что в итоге дает 10. Итак, в грубом приближении возраст Вселенной в секундах составляет 5 × 10.
Однако это еще не может сравниться с 6 × 10 – разница составляет еще шесть степеней десятки. Казалось бы, это не так уж страшно, учитывая, что десять возводится в двадцать третью степень, но что это вообще-то значит? Мы делим 6 × 10 на 5 × 10 и, вычисляя разницу степеней, получаем чуть больше 1 × 10, или миллиона. Представьте сверхъестественное существо, которое наблюдает за развитием нашей Вселенной с момента Большого взрыва. У этого существа есть десять граммов чистого углерода и тонкие щипцы, которыми можно вытаскивать отдельные атомы углерода из горстки. Приступив к этому в момент начала Большого взрыва, в котором родилась наша Вселенная, существо вытаскивает из горстки по одному атому в секунду и выбрасывает их. В таком случае к настоящему моменту вытащено уже 5 × 10 атомов. Много ли это? Непрерывно работая на протяжении 15 миллиардов лет, сверхъестественное существо вытащило только около одной миллионном атомов углерода: в горстке все еще остается в миллион раз больше атомов, чем уже выброшено.
Возможно, теперь у вас появилось примерное представление о том, насколько мал атом. Неожиданность не в том, что модель атома Бора является грубой и легкой аппроксимацией, и не в том, что законы повседневной физики к атомам неприменимы. Чудо в том, что мы понимаем об атоме хоть что-то и способны найти пути соединения классической ньютоновской физики и атомной квантовой физики.
Таким и является атом – насколько вообще можно составить реальное представление о чем-то столь малом. Как показал Резерфорд, крошечное центральное ядро окружено облаком электронов, снующих рядом, подобно пчелам. Сперва считали, что ядро состоит только из протонов, каждый из которых имеет положительный заряд, равный заряду электрона, что делает каждый атом электрически нейтральным. Позже выяснилось, что существует еще одна фундаментальная частица, очень похожая на протон, но не обладающая зарядом. Она называется нейтроном и вместе с протонами присутствует в ядрах всех атомов, за исключением простейшей формы водорода. Но число протонов в нейтральном атоме действительно совпадает с числом электронов. Количество протонов в ядре определяет, атому какого элемента оно принадлежит, количество электронов в облаке (равное количеству протонов) определяет химический состав этого атома и элемента. Однако некоторые атомы могут иметь одинаковое количество протонов и электронов и при этом различаться по количеству нейтронов, тем самым образуя разные вариации одного и того же химического элемента, которые называются изотопами. Это название в 1913 году предложил Содди. Оно происходит от греческой фразы "одно место", так как было открыто, что атомы различного веса могут иметь одинаковое место в таблице химических свойств, то есть в периодической таблице Менделеева. В 1921 году Содди получил Нобелевскую премию по химии за свою работу с изотопами.
Простейший изотоп простейшего элемента представляет собой самую распространенную форму водорода, в которой содержится один протон и один электрон. Атом дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, а также одного электрона, но его химические свойства не отличаются от свойств обычного водорода. Так как протоны и нейтроны обладают практически одинаковой массой и каждый из них примерно в 2000 раз тяжелее электрона, суммарное количество протонов и нейтронов в ядре определяет практически всю массу атома, за исключением маленькой части. Обычно она обозначается числом А, называемым массовым числом. Количество протонов в ядре, которое определяет свойства элемента, называется атомным числом (Ζ). Единица измерения атомных масс вполне закономерно называется единицей атомной массы и равняется одной двенадцатой массы изотопа углерода, ядро которого содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Этот изотоп называется углерод-12 и на письме обозначается как С. Другими изотопами являются С и С, ядра которых содержат семь и восемь нейтронов соответственно.
Чем тяжелее ядро (чем больше в нем протонов), тем больше существует изотопов. В ядре олова, например, содержится пятьдесят протонов (Ζ = 50), что дает олову десять стабильных изотопов, массовые числа которых находятся в диапазоне от А=112 (62 нейтрона) до А=124 (74 нейтрона). Число нейтронов в стабильных ядрах (за исключением простейшего атома водорода) всегда как минимум равняется числу протонов. Нейтральные нейтроны помогают удерживать вместе положительно заряженные протоны, которые имеют тенденцию отталкиваться друг от друга. Радиоактивность присуща нестабильным изотопам, которые преобразуются в стабильную форму и в процессе испускают излучение. Бета-луч – это электрон, который вылетает из атома, когда нейтрон становится протоном, а альфа-частица – это само атомное ядро, два протона и два нейтрона (ядро гелия-4), которая вылетает, когда нестабильное ядро перестраивает свою внутреннюю структуру. Очень тяжелые нестабильные ядра разделяются на два или более стабильных ядра с меньшей массой посредством хорошо известного сегодня ядерного, или атомного, распада, в ходе которого также испускаются альфа– и бета-частицы. Все это происходит в почти невообразимо меньшем масштабе, чем даже невообразимо малый масштаб самого атома. Диаметр среднего атома составляет 10 метра, радиус ядра составляет примерно 10 метра, что в 10 раз меньше атома. Так как объем пропорционален радиусу в кубе, необходимо умножить степень на три, и мы получим, что объем ядра в 10 раз меньше объема атома.
Химия получает объяснение
Облако электронов является внешней частью атома, с помощью которой он взаимодействует с другими атомами. Неважно, что находится глубоко внутри этого электронного облака, – другой атом "видит" и "чувствует" лишь электроны, и именно взаимодействие электронных облаков отвечает за химию. Объясняя широкий спектр свойств электронного облака, модель атома Бора дает химии научную основу. Химики уже знали, что некоторые элементы имеют весьма схожие химические свойства, хотя их атомные массы различны. Если сгруппировать элементы в таблицу согласно их атомной массе (и особенно если учесть также различные изотопы), то эти схожие элементы оказываются на одинаковых интервалах, например одна из закономерностей повторяется каждые восемь элементов. Таблица, элементы в которой сгруппированы согласно одинаковым свойствам, называется периодической таблицей, или таблицей Менделеева.