150620 (Проблемы современной физики), страница 3

Явление, открытое Флеровым и Петржаком, показывает, что 92-й элемент неустойчив. Правда, для того чтобы разрушилась половина всех наличных ядер урана, потребуется 10¹⁰ лет. Но становится понятным, почему периодическая система на этом элементе заканчивается.

Более тяжелые элементы будут еще более неустойчивы. Они быстрее разрушаются и поэтому не дожили до нас. Что это так, опять-таки было подтверждено прямым опытом. Мы можем изготовить 93-й и 94-й элементы, но они живут очень недолго, менее 1000 лет.*

Поэтому, как видите, данная работа имеет принципиальное значение. Не только обнаружен новый факт, но р выяснена одна из загадок периодической системы.

Изучение атомного ядра открыло перспективы использования внутриатомных запасов, но пока что не дало технике ничего реального. Так кажется. Но на самом деле вся та энергия, которой мы пользуемся в технике, все это – ядерная энергия. В самом деле, откуда у нас энергия угля, нефти, откуда гидростанции берут свою энергию?

Вы хорошо знаете, что энергия солнечных лучей, поглощенная зелеными листьями растений, запасена в виде угля, солнечные лучи, испаряя воду, подымают ее и изливают в виде дождей на высотах, в виде горных рек доставляют энергию гидростанциям.

Вce виды энергии, которыми мы пользуемся, получены от Солнца. Солнце излучает огромное количество энергии не только в сторону Земли, но по всем направлениям, а у нас есть основания думать, что Солнце существует сотни миллиардов лет. Если подсчитать, сколько за это время излучено энергии, то возникает вопрос – откуда же эта энергия, где ее источник?

Все, что удавалось придумать раньше, оказывалось недостаточным, и только теперь мы как будто бы получаем правильный ответ. Источником энергии не только Солнца, но и других звезд (наше Солнце ничем от других звезд в этом отношении не отличается) являются ядерные реакции. В центре звезды, благодаря силам тяготения, царит колоссальное давление и очень высокая температура – 20 млн. град. В таких условиях ядра атомов часто встречаются друг с другом, и при этих столкновениях происходят то ядерные реакции, одним из примеров которых является бомбардировка лития протонами.

Ядро водорода сталкивается с ядром углерода с атомным весом 12, образуется азот 13, который превращается в углерод 13, испуская положительный позитрон. Потом новый углерод 13 сталкивается с другим ядром водорода и т.д. В конце концов получается снова тот же самый углерод 12, с которого дело началось. Углерод здесь прошел только через разные стадии и участвовал лишь как катализатор. Но зато вместо 4 ядер водорода в конце реакции появилось новое ядро гелия и два лишних положительных заряда.

Внутри всех звезд имеющиеся запасы водорода путем таких реакций превращаются в гелий, здесь происходит усложнение ядер. Из самых простых ядер водорода образуется следующий элемент – гелий. Количество энергии, которое при этом выделяется, как показывает расчет, как раз соответствует той энергии, которая излучается звездой. Поэтому звезды не охлаждаются. Они все время пополняют запас энергии, конечно, до тех нор, пока имеется запас водорода.

В распаде урана мы имеем дело с развалом тяжелых ядер и превращением их в гораздо более легкие.

В круговороте явлений природы мы видим, таким образом, два крайних звена – самые тяжелые разваливаются, самые легкие соединяются, конечно, в совсем разных условиях.

Здесь мы сделали первый шаг по направлению к про блеме эволюции элементов.

Вы видите, что вместо тепловой смерти, которую предсказывала физика прошлого столетия, предсказывала, как указывал Энгельс, без достаточных оснований, на основе законов одних тепловых явлений, через 80 лет выявились гораздо более мощные процессы, которые указывают нам на какой-то круговорот энергии в природе, на то, что в одних местах идет усложнение, а в других местах распад вещества.

Позвольте теперь от атомного ядра перейти к его оболочке, а затем и к крупным телам, состоящим из громадного числа атомов.

Когда впервые узнали, что атом состоит из ядра р электронов, то электроны представлялись самыми элементарными, самыми простыми из всех' образований. Это были отрицательные электрические заряды, масса и заряд которых были известны. Отметим, что масса означает не количество вещества, а количество энергии, которой вещество обладает.

Так вот, мы знали заряд электрона, знали его массу, и, поскольку больше ничего о нем не знали, казалось, больше нечего и знать. Чтобы приписать ему распределенную форму, кубическую, вытянутую или плоскую, нужно было иметь какие-то основания, но оснований никаких не было. Поэтому (его считали шариком размером в 2 · 10» '² см. Неясно было только, как этот заряд расположен: на поверхности шарика или заполняет его объем?

Когда на самом деле в атоме вплотную встретились с электронами и стали изучать их свойства, эта видимая простота начала исчезать.

Все мы читали замечательную книгу Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», написанную в 1908 г., т.е. в тот период, когда электроны казались самыми простыми и далее неделимыми элементарными зарядами. Тогда еще Ленин указывал, что электрон не может быть последним этаном в нашем познании природы, что и в электроне со временем откроется новое многообразие, нам еще тогда неизвестное. Это предсказание, как и все другие предсказания, сделанные В.И. Лениным в этой замечательной книге, уже оправдалось. У электрона был обнаружен магнитный момент. Оказалось, что электрон не только заряд, но и магнит. У него был обнаружен и вращательный момент, так называемый спин. Далее, оказалось, что хотя электрон и движется вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, но в отличие от планет может двигаться только по вполне определенным квантовым орбитам, может обладать вполне определенными энергиями и никакими промежуточными.

Это оказалось результатом того, что само движение электронов в атоме очень отдаленно напоминает движение шарика по орбите. Законы движения электронов ближе подходят к законам распространения волн, например световых волн.

Движение электронов, оказывается, подчиняется законам волнового движения, составляющим содержание волновой механики. Она охватывает не только движение электронов, по и всяких достаточно малых частиц.

Мы уже видели, что электрон с маленькой массой мажет превращаться в мезон с массой, в 200 раз большей, и, наоборот, мезон распадается и появляется электрон с массой, в 200 раз меньшей. Вы видите, что простота электрона исчезла.

Если электрон может находиться в двух состояниях: с малой и с большой энергией, значит, это не такое уж простое тело. Следовательно, простота электрона в 1908 г. была простотой кажущейся, отражавшей неполноту наших знаний. Это интересно, как один из примеров блестящего предвидения правильной научной философии, высказанного таким замечательным мастером, владевшим диалектическим методом, как Ленин.

Но имеют ли законы движения электронов в атоме размером в 100-миллионную долю сантиметра практическое значение?

На это отвечает созданная за последние годы электронная оптика. Так как движение электроном происходит по законам распространения световых волн, то потоки электронов должны распространяться примерно так же, как лучи света. И действительно, такие свойства в электропе были обнаружены.

На этом пути за последние годы удалось решить очень важную практическую задачу – создать электронный микроскоп. Оптический микроскоп дал человеку громадной важности результат. Достаточно напомнить, что все учение о микробах и о болезнях, ими вызываемых, все методы их лечения построены на тех фактах, которые удается наблюдать в микроскопе. За последние годы появился ряд оснований думать, что микробами не ограничивается органический мир, что имеются какие-то живые образования, размеры которых гораздо меньше, чем микробы. И вот тут-то мы и натолкнулись, казалось бы, па непреодолимое препятствие.

Микроскоп пользуется световыми волнами. При помощи же световых волн, какой бы системой линз мы не пользовались, нельзя изучать объекты, во много раз меньшие световой волны.

Длина волны света – величина очень небольшая, измеряемая десятыми долями микрона. Микрон – это тысячная доля миллиметра. Значит, величины в 0.0002 – 0.0003 мм в хороший микроскоп можно видеть, но еще более мелкие уже видеть нельзя. Микроскоп здесь бесполезен и но только потому, что мы не умеем изготовлять хороших микроскопов, а потому, что такова природа света.

Какой лее тут выход? Нужен свет с меньшей длиной волны. Чем меньше длина волны, тем более мелкие предметы мы можем рассматривать. Целый ряд оснований заставлял думать, что существуют мелкие организмы, недоступные микроскопу и тем не менее имеющие большое значение в растительном и животном мире, вызывающие ряд болезней. Это так называемые вирусы, фильтрующиеся и нефильтрующиеся. Световыми волнами их но удавалось обнаружить.

Потоки электронов напоминают собой световые волны. Их точно так же можно концентрировать, как световые лучи, и создавать полное подобие оптики. Ее называют электронной оптикой. В частности, можно осуществить и электронный микроскоп, т.е. такой же прибор, который будет создавать при помощи электронов сильно увеличенное изображение мелких предметов. Роль стекол будут выполнять электрические и магнитные ноля, которые действуют на движение электронов, как линза на световые лучи. Но длина электронных волн в 100 раз меньше, чем световых, и, следовательно, с помощью электронного микроскопа можно видеть тела, в 100 раз меньшие, не в 10-тысячную долю миллиметра, а в миллионную долю миллиметра, а миллионная доля миллиметра – это уже размер больших молекул.

Второе отличие состоит в том, что свет мы видим глазом, а электрон видеть нельзя. Но это не такой большой дефект. Если электроны мы не видим, то места, на которые они попадают, можно видеть хорошо. Они вызывают свечение экрана или почернение фотографической пластинки, и мы можем изучать фотографию предмета. Электронный микроскоп был построен, и мы получили микроскоп с увеличением уже не в 2000–3000, а в 150–200 тысяч раз, отмечающий предметы в 100 раз меньше тех, которые доступны оптическому микроскопу. Вирусы из гипотезы сразу превратились в факт. Можно изучать их поведение. Можно видеть даже очертание сложных молекул. Таким образом, мы получили новое мощное орудие исследования природы.

Известно, как громадна была роль микроскопа в биологии, в химии, в медицине. Появление нового орудия, возможно, вызовет еще более значительный шаг вперед и откроет перед нами новые, неведомые ранее области. Что будет открыто в этом мире миллионных долей миллиметра, предсказать трудно, но можно думать, что это – новый этап естествознания, электротехники и многих других областей знания.

Как видите, от вопросов волновой теории материи с ее странными, непривычными положениями мы быстро перешли к реальным и практически важным результатам.

Электронная оптика используется не только для создания микроскопа нового типа. Значение ее растет чрезвычайно быстро. Однако я ограничусь только рассмотрением примера ее применения.

Так как я говорю о наиболее современных проблемах физики, я не буду излагать теорию атома, которая была завершена в 1930 г.: это, скорее, проблема вчерашнего дня.

Нас интересует сейчас, как атомы соединяются, образуя физические тела, которые можно взвесить на весах, можно ощутить их теплоту, размеры или твердость и с которыми мы имеем дело в жизни, в технике р т.д.

Каким же образом свойства атомов проявляются в твердых телах? Прежде всего, оказывается, что квантовые законы, которые были обнаружены в отдельных атомах, сохраняют полную свою применимость и к целым телам. Как в отдельных атомах, так и в целом теле электроны занимают только вполне определенные положения, обладают только некоторыми, вполне определенными энергиями.

Электрон в атоме может находиться только в определенном состоянии движения, и, более того, в каждом таком состоянии может быть только один электрон. Не может быть в атоме двух электронов, которые находятся в одинаковых состояниях. Это тоже одно из основных положений теории атома.

Так вот, когда атомы соединяются в громадных количествах, образуя твердое тело – кристалл, то и в таких больших телах не может быть двух электронов, которые занимали бы одно и то же состояние.

Если число состояний, доступных электронам, как раз равно числу электронов, тогда каждое состояние занято одним электроном и свободных состояний не остается. В таком теле электроны оказываются связанными. Для того чтобы они начали двигаться в определенную сторону, создавая поток электричества, или электрический ток, чтобы, другими словами, тело проводило электрический ток, необходимо, чтобы электроны изменили свое состояние. Раньше они двигались вправо, а теперь должны двигаться, например, влево; под действием электрических сил должна возрасти энергия. Следовательно, состояние движения электрона должно измениться, а для этою нужно перейти в друюе состояние, отличное от прежнего, но это невозможно, так как все состояния уже заняты. Такие тела никаких электрических свойств не проявляют. Это – изоляторы, в которых не может быть тока несмотря на то, что имеется колоссальное количество электронов.

Возьмите другой случай. Число свободных мест гораздо больше, чем число электронов, там находящихся. Тогда электроны свободны. Электроны в таком теле, хотя их и не больше, чем в изоляторе, могут менять свои состояния, свободно двигаться вправо или влево, увеличивать или уменьшать свою энергию и т.д. Такие тела – металлы.