Текст книги "Физика для "чайников" (СИ)"

Автор книги: Андрей Задумавшийся

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 12 страниц)

Ладно, хватит уже мне пугать страшным словом "квант", энергию света мы с грехом пополам определили. Остаётся связать всё воедино: h*ню = m*v^2/2? Как бы не так, ведь при какой-то ню (частоте) фотоэффект прекращается! Значит, есть какая-то энергия, которая мешает ему произойти. Итого получаем: h*ню = m*v^2/2 + Aвых. h – постоянная Планка, ню – частота света, m – масса электрона (она равна 9.1*10^-31 кг), v – начальная скорость электрона, с которой он вылетает с поверхности металла, Aвых называется работой выхода – это минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону для того, чтобы тот покинул пределы металла и оказался на его поверхности с нулевой начальной скоростью. Для каждого вещества она своя, измеряется тоже в джоулях, как и обычная работа.

Вот это всё вышеперечисленное сумел собрать воедино Эйнштейн. И свою единственную Нобелевскую премию он получил именно за это коротенькое уравнение, а не за теорию относительности, как почти все думают. (О последней мы тоже поговорим – буквально в следующем абзаце.) Отсюда всё становится понятным и объясняемым: из-за работы выхода не у всякого света хватает энергии, чтобы вдарить током; не всякие металлы можно использовать тоже из-за разных работ выхода; при частоте, равной красной границе фотоэффекта, электрону хватает сил ровно настолько, чтобы выползти на поверхность металла и отдышаться (в этом случае h*ню = Aвых, именно таким образом можно померить работу выхода), а при меньшей он не может прыгнуть выше головы и остаётся внутри, никому не нужный.

Другой эксперимент, подтверждающий корпускулярную природу света, – это поглощение и испускание света атомом. Но это уже скорее относится к атомной физике, о коей через один абзац. (Да, запахло концом. Остался последний раздел. Крепитесь, люди – скоро лето! Как в старой доброй песне.)

Вкратце и поумнее: свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то есть является и электромагнитной волной, и потоком неких частиц (квантов, впоследствии названных фотонами) одновременно. Внешний фотоэффект – это выбивание электронов с поверхности металла под действием световых квантов. Три закона фотоэффекта: 1) количество электронов, выбиваемых в единицу времени с поверхности металла, прямо пропорционально освещённости поверхности; 2) кинетическая энергия электрона, выбитого с поверхности, зависит от частоты (длины волны) падающего света и не зависит от освещённости; 3) у каждого вещества существует такая частота света (или длина волны), при которой фотоэффект прекращается. Эта частота (длина волны) называется красной границей фотоэффекта. Энергия света квантуется – она может принимать только значения с определённым шагом. Постоянная Планка h = 6.626*10^-34 Дж/с – определяет связь между частотой света и его энергией и "размер" этого шага. Уравнение фотоэффекта (закон Эйнштейна): h*ню = m*v^2/2 + Aвых. h – постоянная Планка, ню – частота света, m – масса электрона (9.1*10^-31 кг), v – начальная скорость, с которой электрон выходит с поверхности металла, Aвых – работа выхода металла. Работа выхода – это минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы выбить его из металла с нулевой начальной скоростью.

5. Последний раздел.

В учебниках очень неохотно пишут о том, что тот или иной раздел – последний, хотя иной раз очень хочется, чтобы очередным параграфом или очередной фразой весь поток непонятной информации наконец иссяк. Так что сразу смотрим вперёд, где осталось три самых отвлечённых вещи: это теория относительности, атомная физика и ядерная физика. С первой, конечно же, связывают имя всё того же Эйнштейна. Ну посмотрим, что он понапридумывал.

Началось всё с того, что думали, что свет перемещается мгновенно. Потом сообразили, что это не так, и стали пытаться мерить его скорость. Измерив, охренели от получившейся цифры (300 тысяч километров в секунду – настолько быстро ничто летать не умеет!) и стали соображать головой, а можно ли летать ещё быстрее? А самое большое подозрение вызвало то, что эта скорость света не зависит от того, с какой стороны смотреть, с какой системы отсчёта считать. Копать в этом направлении начали ещё до Эйнштейна, и не он один выдумал абсолютно всё то, что будет написано ниже. Но у нас тут не история, а физика, так что кто именно что именно открыл – кому интересно, руки в ноги и вперёд расспрашивать всех хороших преподавателей физики, которые будут попадаться на пути.

Специальная теория относительности (СТО) является, по сути, механикой. Только это механика на уровне световой скорости, отвечающая на вопрос "как и почему тело движется, если его скорость близка к скорости света". За фундамент взяли два утверждения, которые всегда верны и ничем не доказываются. Первое: все физические процессы одинаково протекают в любой инерциальной системе отсчёта – вроде бы очевидная вещь, но убивает наповал все словеса типа "искривление пространства и времени", которые обожают кидать вокруг этой теории. И второе: скорость света в вакууме (c = 3*10^8 м/с) – величина постоянная в инерциальной системе отсчёта, не зависит от скорости источника света и его приёмника.

И вот от этих двух штук начинает строиться целая куча новых предположений, которые представить себе довольно трудно. Например, такая штука, как относительность одновременности. Если в одной системе отсчёта два каких-то события происходят одновременно, но эта система отсчёта движется, то относительно неподвижной системы отсчёта эти два события не будут одновременными! Чтобы не обидеть первый постулат СТО, нужно синхронизировать время, чтобы обе системы отсчёта была равноправны. При этом следует ещё одна выносящая мозг фраза: время в теории относительности не постулируется единым для всех систем отсчёта! То есть может так быть, что в разных системах отсчёта время идёт по-своему, что и любят обзывать "искривлением времени". Вместе со временем, меняются также энергия тела, его импульс, масса и длина. Записывается это всё примерно похоже друг на друга в виде таких дробей: x' = (x-v*t)/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)), где x' – величина (в данном случае координата), которую рассматриваем; x – "обычный" икс, который используем в классической механике, t – время, v – скорость движения тела, c – скорость света. Опять-таки, когда v много меньше c, подкоренное выражение становится близко к единице, и всё выражение перерастает в обычные кинематические x = x0 – v*t: как любят выражаться, на скоростях, много меньших скорости света, релятивистская механика переходит в классическую. "Релятивистская" означает, что имеется в виду движение на скорости, близкой к скорости света. (Видимо, слово "релятив" означает "отношение", "относительность".) Время при скорости, близкой к c, уменьшается, длина тоже уменьшается, а вот масса, энергия и импульс растут. Особенно весело с энергией: E = m*c^2/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)). То есть при скорости, близкой к скорости света, энергия должна стремиться к бесконечности. В том числе и по этой причине обычное туловище с массой невозможно разогнать до скорости, равной c – для этого уже требуется бесконечно большая энергия, а где её взять? (Поэтому стали говорить о том, что заставить что-то лететь со скоростью, большей, чем скорость света, невозможно вообще.) Другой предельный случай, если тело покоится, то бишь скорость – ноль. Тогда получается та самая знаменитая формула, которую тоже приписывают Эйнштейну: E = m*c^2. Эта энергия называется энергией покоя, а соответствующая ей масса – массой покоя. Есть особые хитрые частички, у которых эта масса равна нулю, но при этом есть своя масса движения – то есть частичка как бы невесомая, но и энергию переносит, и даже имеет свой импульс! (Вредное домашнее задание: догадаться, что это за частичка. Одну подсказку уже дал, вторая – о ней уже шла речь раньше.) Плюс к этому: если на тело действует какая-то сила, то она поменяет его импульс – значит, и сила тоже будет считаться как-то зубодробительно, снова с этим корнем! Короче говоря, этим хозяйством переплетается вся классическая механика – и кинематика, и динамика...

Могу ещё подлить масла в огонь: как оказалось потом, СТО тоже где-то заканчивается, у неё тоже есть границы применения! А именно: применять всё это дело на практике можно до тех пор, пока не появится настолько сильное гравитационное взаимодействие, что оно будет притягивать к себе, грубо говоря, едва ли не с той же скоростью света (а если точнее – можно применять, пока потенциал взаимодействия много меньше этой "пороговой" величины, равной c^2). То есть посмотреть, как планеты друг с другом сталкиваются, ещё можно. Как мелкую частичку разогнать до скорости, близкой к скорости света – ещё можно. А вот если попытаться взглянуть в космическую "чёрную дыру" и попытаться сообразить головой, а как туда что-то упадёт, то здесь и СТО обломает себе зубы. Тогда в силу вступит общая теория относительности (ОТО), которая уже может попытаться наглядно показать, как будет выглядеть со стороны засасываемый чёрной дырой предмет. ("Чёрная дыра" – это бывшая звезда, имевшая достаточно большую массу; при своей "смерти" она схлопнулась до очень малых (для звезды) размеров, из-за чего стала настолько плотной и массивной, что своей гравитацией начинает притягивать всё и вся – причём эта гравитация настолько сильна, что из её лап не вырваться даже одному квантику света – именно поэтому она "чёрная", и это уже создаёт трудность в том, как хотя бы представить, что тот или иной предмет будет ей притянут – ведь тогда его уже не станет видно, потому что для того, чтобы предмет можно было увидеть, от него должен отразиться свет, который чёрная дыра тоже не выпускает!) Короче говоря, глазами что-то представить – мозги сломаешь, космос ещё не вскопан математически, и тут ещё современной физике копать и копать. Даже специальный раздел науки для этого забабахали – космологию.

Вкратце и поумнее: специальная теория относительности (СТО) – это теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, меньших скорости света или близких к ним. Движение при скорости, близкой к скорости света, называют релятивистским. Два основных постулата СТО: 1) все физические процессы протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчёта; 2) скорость света в вакууме – величина постоянная в инерциальной системе отсчёта и не зависит от скорости источника света или его приёмника. Значение её составляет: c = 3*10^8 м/с (примерно). Величины, изменяющиеся при скоростях, близких к c: масса, энергия, импульс (увеличиваются при приближении к c); время, линейные размеры тела (уменьшаются при приближении к c). Энергию СТО описывает формулой: E = m*c^2/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)). При v = 0 E = m*c^2 – тело имеет энергию покоя, определяемую массой покоя. При v = c энергия бесконечно большая – разгон тела, имеющего массу покоя, до скорости света невозможен. СТО также имеет свои границы применения – она не может применяться в сильных гравитационных полях. Обобщение СТО для гравитационных полей – общая теория относительности (ОТО).

Второй с начала и конца последнего раздела абзац. Атомная физика. Когда-то считали, что атом – это самый маленький «кирпичик», из которого состоят вещества, якобы неделимый (само слово «атомос» в переводе с греческого и означает «неделимый»). Но потом народ начал натыкаться на то, что всё-таки там что-то внутри есть: как то, хоть те же электроны – они же не сами по себе болтаются? Тем более что «выплёвывали» их как раз именно атомы. На эту тему долго чесал себе репу товарищ с инициалами и фамилией Дж. Дж. Томсон (точно не помню, тот же ли это Томсон, что формулу для колебательного контура вывел, или же последнее сделал его сын), ранее открывший сам электрон. И придумал он нехитрую модель: атом – это такой пудинг (или кекс) с изюмом: тесто – это размазанный по всему атому положительный заряд, а изюминки – это электрончики, каждый из которых имеет свой отрицательный зарядик, и вместе они дают такой заряд, что атом будет электронейтрален (то бишь заряд его – ноль, как это и должно быть). Но потом его ученик Эрнест Резерфорд (правнук которого, кстати, в наши дни до сих пор играет в одной достаточно известной как за бугром, так и у нас, группе) опроверг такую теорию. А именно: он использовал кусочек радиоактивного вещества (радиоактивность тогда уже была открыта), который, кроме всего прочего, плевался альфа-частицами – ядрами атома гелия. Эти частички бомбардировали специальную золотую фольгу, на которой можно было увидеть, куда что попало. Если бы «пудинг с изюмом» действительно бы существовал, то все частички дружно рассредоточились в маленький круг (из-за слабого кулоновского отталкивания друг от друга) и попадали бы на мишень. Итог – на мишени был бы круг. А на деле? На деле получилось, что некоторые частички отражаются на большие углы, отдельные (единицы из тысяч) вообще отражаются на 90 градусов или – более того – поворачивают назад! Товарищ Резерфорд предположил так: атом – это не кекс с изюмом, а что-то вроде маленькой планетарной системы. Центр – «солнце» – это ядро, а вокруг него, как планеты, болтаются электрончики, каждый на своей «орбите». Ядро заряжено положительно, электрончики – отрицательно, итог – атом в целом электронейтрален, как это и должно быть. Причём ядро по размеру гораздо меньше атома – примерно настолько же, насколько яблоко меньше Земли. И некоторые частички отклонялись так странно как раз потому, что попадали именно в ядро, которое отталкивало их от себя куда ни попадя.

Но и тут физики не успокоились! Как же так – электрон крутится по орбите, значит, движется с центростремительным ускорением, которое, вообще говоря, отрицательно – значит, он замедляется, – значит, теряет энергию! К тому же, он ещё и должен притягиваться положительно заряженным ядром – короче, вся теория идёт прахом, ничего снова не объясняет, иначе все электрончики бы попадали на ядро и с большим удовольствием сопели бы там на боку очень короткое время, после чего нейтрализовались бы вместе с положительным зарядом ядра. Тогда голос подал другой физик, по фамилии Бор. Он погрозил пальцем и сказал: так-то всё так, ребятки, да не совсем. Во-первых, да, электрончики крутятся вокруг атома. Но: у каждого из электронов есть своё "стационарное" состояние, в котором он свою энергию не теряет. Да, вот так: крутится, но энергию не теряет, и сам атом при этом стабилен, и всё хорошо. Ну а уж если его побеспокоить, тогда вступает в силу второй постулат: если атом возбудить (это значит всего лишь изменить его энергию – а не то, что вы подумали!), то внутри него происходит следующее: электрончик карабкается (если атому дают энергию) на орбиту (или несколько, если энергии хватает) выше или падает (если атом отдаёт энергию) на орбиту (или несколько, если теряется много энергии) ниже, при этом либо он поглощает квант электромагнитного излучения (когда получает энергию), либо излучает его (когда отдаёт). Энергия такого кванта будет равна: h*ню = E2 – E1, то бишь просто разнице энергий. В зависимости от того, насколько сильно вдарить по атому (и по какому атому тоже!), энергия вышибаемого из него излучения может быть разной. И что ещё примечательно: набор квантиков, который испускает (или поглощает) тот или иной атом при возбуждении, у каждого свой! То есть один атом, например, плюётся только красным, жёлто-зелёным и фиолетовым, а другой – только оранжевым и кучей оттенков синего. Более того, набор тех "цветов", что он выплёвывает, и тех, что поглощает, ВСЕГДА совпадает. Это легло в основу такой исследовательской штуки, как спектроскопия: освещая то или иное вещество и смотря, какие именно цвета (длины волн) оно поглощает, можно определить, из каких атомов оно состоит!

Но такое явление нашло себя не только в заумной диагностике, а ещё и в обычной жизни. Например, если пустить обычный электрический ток большой силы по вольфрамовой нити, то она начнёт не только греться, но ещё при этом и, пытаясь остыть, светиться. Это будет обычная лампочка накаливания. Более сложный пример – если пустить ток через газ, например, неон. Электрончики, бегающие по получившейся плазме, будут ударяться об обычные атомы, возбуждать их, а те, стремясь вернуться в обычное состояние – всё к тому же равновесию! – будут давать тоже кванты с длиной волны света. Ещё более сложный пример – если взять лампу дневного света на парах, например, ртути: через пары ртути тоже пускают ток, она тоже даёт излучение, но в ультрафиолетовом диапазоне, который не виден! А чтобы он стал виден, делают по-хитрому: этот ультрафиолет падает на специальное вещество, нанесённое по ту сторону оболочки лампы. Оно возбуждается уже ультрафиолетовым излучением, и снова та же картина: стремясь "успокоиться" обратно, выплёвывает кванты видимого света (то есть с уже меньшей энергией). Такую штуку называют люминесценцией, а лампы – люминесцентными. Самый сложный и невидимый глазами пример – это если разогнанные напряжением в десятки киловольт электроны заставить с разгону удариться головой об атомы (например, меди или хоть того же вольфрама, хотя теоретически, в принципе, материал не особо важен – нужно только, чтобы он был плотным, иначе электрончики тупо проткнут его насквозь и полетят дальше, даже не заметив). Тогда полученная энергия будет такой, что атом станет плеваться квантами рентгеновского диапазона – именно таким излучением просвечивают грудную клетку, когда делают флюорографию, или челюсть, когда делают рентгеновский снимок зубов. В свою очередь, даже та же фотобумага – это тоже удел атомной физики: раньше, ещё во времена аналоговых фотоаппаратов, делали бумагу из специальных материалов. Она чутко реагировала на свет, и если запечатлённое на плёнку изображение просветить так, чтобы его отображение уложилось точно на бумагу, то и получилась бы фотография. Всё это делалось в темноте (иначе кадр пропадёт – будучи засвеченными, атомы материала плёнки вернутся обратно в спокойное состояние (они специально подбирались такими, чтобы возбуждённое состояние держалось достаточно долго, дабы успеть потом это возбуждение снять), и – прощай, картинка, ищи-свищи, где они там были возбуждены, а где нет!), в специальных фотолабораториях... Не то, что сейчас – нажал кнопку, и вот тебе уже готовая фотка, хоть сразу в интернет заливай. Только атомной физики и в цифровом фотоаппарате сильно меньше не стало, просто там используют не бумагу, а специальные фотоматрицы, каждая "ячеечка" (пиксель) которых реагирует на свет всё теми же многострадальными атомами. Но это уже гораздо более сложная вещь, такие в школе не проходят. Самый зубодробительный пример – если заставить кучу атомов одновременно испускать кванты с одной и той же длиной волны, загоняя электрончики на одни и те же орбиты, отчего они все синхронно будут падать. Такой "электронопад" лежит в основе работы лазера. Причём лазеры излучают как видимый свет (и выглядит это вовсе не как полоса света или световая "пуля", а просто пятно в месте попадания луча, как от лазерной указки!), так и инфракрасное излучение, и ультрафиолет, и даже рентгеновские лучи. Шагают по длине волны и в другую сторону – специальные "мазеры" излучают волны микроволнового диапазона тоже одной и той же длины. Последние применяются в том числе в таких страшных штуках, как лучевое оружие. Опять-таки, ещё раз повторю – никакое излучение, кроме видимого света, не увидишь! Лучи чёрт-те каких диапазонов, которые кругом и всюду показывают как видимые лучи (кроме обычного света), остаются видимыми пока что только в научной фантастике!

Немного ушли от темы, но в целом по школьной части в общих чертах почти всё. Дальше товарищи стали чесать репы ещё и ещё и пришли к выводу, что классическая механика для описания строения атома никак не подходит. СТО тогда ещё только разрабатывалась, но и она тоже тут не в кассу. Итог – появилась квантовая механика, которая очень скрупулезно описывает мелкие частички типа тех же электрончиков. Тут понеслось по полной программе: не то, что для школы – для технического вуза математика с физикой пошли такие, что действительно без пол-литра или очень хорошего преподавателя (или и то, и другое вместе) не разберёшь. К атомной физике это прикоснулось таким образом: электрон – это теперь больше не шарик, крутящийся по орбите. Это тоже и частица, и волна одновременно, он размазан по пространству всего атома, болтаясь тудыть-сюдыть со скоростью порядка 10^5 м/с, но те места, в которых его нахождение наиболее вероятно, образуют "орбиталь" – это то, что обозначается в таблице Менделеева непонятными маленькими буквами s, p, d и f. То бишь таких видов орбиталей всего четыре.

А ещё у электрончика есть непонятный параметр под названием "спин". Когда электрон представляли ещё как шарик, то предполагали, что спин означает то, что электрон крутится не только вокруг ядра атома, но и вокруг своей оси (точно так же, как и наша Земля – не только вокруг Солнца, но и вокруг себя). Потом, правда, фантазия сама себе сломала голову представлять – и частица, и волна одновременно, и размеров почти не имеет, да ещё и что-то там крутится вокруг себя, когда крутится нечему! Во накрутили (каламбурчик). Но именно спин отвечает за то, что атом умеет "чувствовать" магнитное поле. Грубо говоря, когда спины всех электрончиков атома поворачиваются в одну сторону, вещество из этих атомов становится намагниченным. Когда спины повёрнуты так, что половина направлена в одну сторону, половина – в другую (как это бывает обычно), вещество не реагирует на магнитное поле. Спин – это безразмерное число, и для электрона он может быть равным только +1/2 или -1/2 (смотрит "вверх" или "вниз" соответственно, или крутится "по часовой стрелке" либо "против часовой стрелки", если представлять как шарик. Кавычки ставлю специально, потому что где в атоме верх, а где низ – чёрт-те его знает.)

И наконец... Наконец, чтобы окончательно "убить" атомную физику, придётся смириться с тем, что она смыкается с химией. А именно – всё с той же таблицей Менделеева. Конкретнее: в ней представлено большинство возможных атомов, какие только могут быть. Если совсем строго – далеко не все, но все основные и более-менее стабильные точно. "Стабильные" значит то, что атом так и будет оставаться ядром с электрончиками достаточно долгое время. "Нестабильный" значит, что атом по какой-то причине не может удержать в охапке все свои внутренности и через какое-то время либо развалится на два других, более лёгких, атома, либо от него "отколется" небольшой кусочек в виде одной-двух частичек. И то, и другое называется радиоактивным распадом. Но об этом уже лучше в ядерной физике.

Что ещё из атомной физики подсказывает таблица Менделеева. Это: число энергетических уровней ("орбит"), которые имеет атом – это строка (период), в котором стоит тот или иной химический элемент. Число электрончиков, находящихся на самой верхней "орбите" (именно они активнее всего участвуют во всяких взаимодействиях, как то: их легче всего отщепить от атома, заставив переносить электрический ток или прилепиться к другому атому, у которых не хватает электрончиков для того, чтобы полностью заполнить внешний уровень – то бишь верхнюю "орбиту") – это номер столбца (группы), в которой находится химический элемент. Номер каждого химического элемента тоже подобран не случайно: это число электронов во всём атоме вообще, оно же положительный заряд ядра, оно же число протонов. (О протонах и нейтронах тоже расскажу в ядерной физике, это следующий и последний абзац.) Масса атома – это число протонов и нейтронов, вместе взятых (масса электрона считается очень маленькой по сравнению с массами протонов и нейтронов – разница почти в 2000 раз, поэтому их не считают). Мерится в специальных единицах – атомные единицы массы (а.е.м.). 1 а.е.м. = 1.66*10^-24 г или 1/12 от массы атома углерода. Да, и тут снова углерод. По всей видимости, это один из самых стабильных и распространённых атомов, которые есть – именно поэтому и моли, и а.е.м. считают от него. Моли тут тоже привязаны: если масса элемента равна 1 а.е.м, то 1 моль такого элемента будет весить 1 г. Для того же углерода получается, что 1 моль его будет весить 12 г (так как масса 12 а.е.м.) У железа, например, масса одного моля – 56 г. Короче, та же молярная масса, что и была в термодинамике. Ну и последнее, что в таблице Менделеева уже не указывается, но что для каждого атома своё – это его радиус. Чётких границ он не имеет, поэтому его считают просто как расстояние между ядрами соседних атомов, которые связаны друг с другом. Естественно, чем больше в атоме внутренностей – чем больше напихано всякой хрени в ядре и чем больше электронов болтается вокруг, тем он ширше. Но в среднем размер атома колеблется где-то от десятков до сотен пикометров ("пико" – это 10^-12, одна тысячная нанометра... то есть где-то одна триллионная доля метра). То есть, если проводить сравнение с тем же яблоком, разница в порядках примерно такая же, атом настолько же меньше яблока, насколько ядро атома меньше его самого: если яблоко – это один атом, то Земля – это одно большое яблоко, в состав которого входит наш "атом".

И самое последнее. Несмотря на то, что атом вот так бессовестно распотрошили на мелкие частички, он не становится совсем не нужным физике. Очень многие физические процессы рассматривают, именно представляя вещество как большую кучу атомов, а некоторые и об атомах забывают и смотрят ещё "выше" – на молекулы: так, молекулярная физика об атомах почти забывает, вспоминая о них только как о составных частях молекул; большое количество прикладных наук, в том числе инженерных, смотрят на атом как на неделимый шарик, из которого могут разве что выплёвываться электрончики с энергетическими переходами (которые дают кванты электромагнитных волн), и только ядерная физика реально разрезает атом на части, забывает о нём и погружается ещё глубже, к самому "фундаменту".

Вкратце и поумнее: существовало несколько моделей атома. Модель Томсона – "пудинг с изюмом": атом – это положительно заряженная частица, в котором содержатся электроны. Модель Резерфорда это предположение опровергла: опыт по рассеиванию альфа-частиц на золотой фольге показал, что атом состоит из положительно заряженного "ядра", вокруг которого, по предположению, вращаются электроны. Недостаток теории Резерфорда в том, что электрон должен терять энергию, так как движется с отрицательным центростремительным ускорением, и притягиваться атомом – но этого не происходит. Бор выдвинул два постулата, объясняющих это: 1) атом может находиться в нескольких стационарных состояниях, при котором электрон может двигаться вокруг ядра, не теряя энергии, при этом энергия атома постоянна; 2) при переходе из одного стационарного состояния в другое электрон переходит на другую орбиту (другой энергетический уровень), испуская при этом квант энергии или поглощая его (при потере энергии – испускает, при получении энергии – поглощает). Квантовомеханическая (текущая на данный момент) модель атома принимает во внимание, что электрон является частицей и волной одновременно; геометрическое место точек, в котором наиболее вероятно его нахождение, называется электронной орбиталью. Всего есть четыре типа орбиталей: s, p, d и f. Спин электрона – величина, отвечающая за магнитные свойства вещества; наглядно его можно было представить как вращение электрона вокруг своей оси. Принимает значения +1/2 и -1/2. Связь между параметрами атома и его положением в периодической системе элементов Менделеева: период – это количество энергетических уровней, которые имеет атом, группа – число электронов на внешнем уровне, номер элемента – заряд ядра, или число электронов, или число протонов; атомная масса – число протонов и нейтронов. Атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.), 1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода-12, приближённо равна 1.66*10^-24 г. Радиус атома измеряется по расстоянию между ядрами атомов, связанных ковалентной связью, в зависимости от атомного номера он составляет от десятков пикометров до сотен пикометров.

Подходим к финишу! Осталась последняя, в чём-то очень простая, но и в чём-то очень сложная часть. Простая потому, что самая сложная математика здесь на уровне «прибавить-отнять». Сложная потому, что глазами представить всё то, что и как творится во вроде бы и без того крошечном атомном ядре, не очень просто. И в том, что ядерная физика тесно сплетена всё с той же химией и с квантовой механикой. Но это последний раздел, после него всё закончится. Как перед нырком – набрали воздуха и вперёд.

Значится, атом состоит из ядра и электронов. А ядро состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов, которые друг за другом тоже были открыты. Оба примерно в 2000 раз тяжелее электрона, но не совсем одинаково. Заряд протона – положительный и равен заряду электрона. Нейтрон электронейтрален (у него заряд – 0). Из основных параметров всё. Но всё бы хорошо, да есть несколько "но". Во-первых, почему протоны не отталкиваются друг от друга, у них же одинаковые по знаку заряды? Во-вторых, почему они вообще все держатся вместе? В-третьих, почему некоторые из них не могут держаться вместе и разваливаются, отчего человечество стало рисовать страшный знак с тремя лучами от точки – знак радиоактивности? И, в-четвёртых, каверзный вопрос: а не состоят ли они сами из чего-нибудь ещё более мелкого? Обо всём – по порядку.

Первый момент. По логике, да – протоны должны разлетаться прочь друг от друга из-за сил кулоновского отталкивания. Но почему-то этого не происходит. Думали, гадали, почему так: это явно силы не электрического происхождения. И не гравитационного – хоть и расстояние между протонами очень маленькое, массы их ещё меньше, и сила притяжения их друг к другу тоже крайне мала. Все основные виды взаимодействий исчерпали. Тогда решили, что это дело рук третьего, ещё неизвестного, взаимодействия, которое назвали "сильным". Именно оно удерживает частички сцепленными друг с другом, причём делать это может только на небольшом расстоянии – на большом сила притяжения резко падает. Благодаря этому сильное взаимодействие получило жаргонное (да, у физиков тоже есть жаргон) прозвище "богатырь с короткими руками". Всё, в школьной физике про него больше почти ничего не известно (почему "почти", смотри самый конец).