Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"
Автор книги: Сергей Бердышев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 16 (всего у книги 25 страниц)
Первым понял, что электрический заряд нельзя дробить бесконечно, французский физик Ш. Кулон. А Б. Франклин выдвинул гипотезу о существовании электрических частиц. Когда в 1860-е гг. учение о молекулах и атомах (кинетическая теория) возобладало в науке, ученые задумались о том, действительно ли существуют электрические частицы. Учение об электричестве долгое время обходилось без понятия электрона.
Существенный сдвиг в теории произошел только после работ М. Фарадея. Опираясь на них, Дж. Максвелл пришел к выводу о существовании в природе электромагнитного поля. В 1881 г., следуя теории Фарадея, другой физик, англичанин Стоней вычислил величину элементарного электрического заряда. Но ученые не могли предположить, что электрон имеет меньшие размеры, чем атом, считавшийся единицей строения вещества.
Открытие электрона состоялось в 1897 г. К нему науку подвел, как ни странно, газовый разряд. Изучение электричества началось с наблюдения за молниями – типичными искровыми разрядами в атмосфере. Помимо молний существуют и другие виды электрических разрядов в газах: коронные, дуговые, тлеющие разряды. Коронные наиболее впечатляют. Они были известны с давних времен под названием огней Святого Эльма. Эти огни вспыхивали с приближением грозы на шпилях башен и мачтах кораблей. Атмосферное электричество стекало на острый предмет и ионизировало воздух, вызывая его свечение.
Молния тоже стремится попасть в какой-то предмет, но она не стекает, а проскакивает искрой, несущей колоссальный заряд. Кстати, то, что люди называют ударом молнии, представляет собой очередь из 10–20 сильнейших разрядов, движущихся по электрическому каналу (стримеру) один за другим. Для человеческого глаза они сливаются в единую вспышку. Англичанин Дж. Дж. Томсон открыл электрон, изучая особый вид разряда – катодные лучи.
Они являются сфокусированным в пучок потоком электронов в газе и образуются при самостоятельном газовом разряде. Плотность газа очень низка, его давление не должно превышать 0,01 мм рт. ст. Такой пучок электронов можно получить в катодной трубке, устроенной примерно так же, как и кинескоп телевизора. Электроны срываются с холодного катода (отрицательного электрода) трубки и попадают на экран с люминофором. Встроенные в трубку магниты и заряженные пластинки отклоняют своими полями, магнитным и электрическим, электронный луч.
Смещение луча можно измерить по изменению положения светлого пятна на экране люминофора, а отсюда уже найти энергию пучка и провести остальные замеры. Томсон догадывался, что катодные лучи представляют собой поток частиц, но отказывался в это поверить. И только после длительных замеров он был вынужден признать существование электрона. Эта элементарная частица имеет массу, в 1000 раз меньшую массы атома водорода, самого легкого из всех атомов.
Томсон создал первую модель атома, в которой маленькие заряженные шарики-электроны были погружены внутрь положительно заряженного ядра. Физики, признав существование заряженной частицы, склонялись к убеждению, что электрон есть крупица вещества, на поверхности которой находится элементарный заряд. Эксперименты, однако, не подтвердили этих догадок. Оказалось, что электрон и есть заряд, а не вещество, покрытое зарядом. Это единичный заряд, который ведет себя, как частица.
Масса электрона – это не вес вещества. В данном случае речь идет об электромагнитной массе, зависящей от скорости частицы. Само вещество оказалось совокупностью зарядов – положительных и отрицательных. В дальнейшем было установлено, что электрон, как и свет, имеет корпускулярно-волновую природу. То есть наши тела не являются чем-то твердым и плотным, а представляют собой набор электромагнитных волн и зарядов. Наука оказалась не готовой адекватно воспринять открытие необыкновенных свойств материи. Математик и физик А. Пуанкаре называл такое состояние в физике «кризисом науки».
Преодолеть этот кризис удалось во многом благодаря дальнейшим исследованиям электрона, оказавшегося поистине неисчерпаемым. Во-первых, физикам предстояло открыть истинное строение атома. Модель Томсона была неверной, взамен нее японский ученый Нагаока предложил в 1903–1904 г. планетарную модель, усовершенствованную в 1910 г. Э. Резерфордом. Она используется и сейчас в популярной литературе для описания строения атома.
В центре атома находится огромное заряженное положительно ядро. Оно состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, тогда как нейтроны никак не заряжены. Положительный заряд притягивает к себе отрицательные частицы – электроны, которые под действием электромагнитного притяжения обращаются вокруг ядра по орбитам так же, как планеты движутся вокруг Солнца в космосе. Атом водорода – простейший из всех остальных, он состоит из одного протона и одного электрона.
Планетарная модель потрясла многих мыслителей и ученых. Сходство между ничтожной частицей и Вселенной было невероятным. Тогда поэт В. Брюсов, поддаваясь всеобщему настроению, написал мечтательные строки: «Быть может эти электроны – миры, где пять материков…». На самом деле внутри атома не может быть второй Вселенной и другой цивилизации. Дело в том, что количества внутриатомных сил и превращений недостаточно для того, чтобы повторить разнообразие явлений природы в настоящей Вселенной.
Возвращаясь от фантазий к реальности, заметим, что электрический заряд каждого атома в целом нейтрален, т. к. положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Избыток электронов превращает атом в отрицательно заряженный ион (катион), а недостаток этих частиц – в положительно заряженный ион (анион). Эта модель, однако, сильно упрощена и многого не объясняет. Противоречия удалось разрешить ученику Резерфорда, датскому физику Н. Бору, построившему квантовую модель атома. Открытие квантования электронных орбит считается одним из крупнейших достижений физики XX в. Оттого на рисунке – послании внеземной цивилизации, помещенном на борту американских автоматических станций «Пионеров», схематически отображено квантовое строение электронной оболочки атома. Модель занимает большую часть рисунка, потесняя схему Солнечной системы, строение молекулы водорода и даже изображение мужчины и женщины как двух равных представителей нашего вида – Человека разумного. Если космическое послание найдет своего адресата, то инопланетяне узнают о высоком уровне наших физических представлений.
Бор провел вычисления устойчивости электронных орбит и пришел к выводу, что у электрона во внешнем слое есть несколько дозволенных, т. е. стабильных, состояний. Во всех остальных положениях электрон утрачивает стабильность, и атом начинает терять энергию в виде излучения. Вот почему генерируют когерентный луч лазеры и тускло светят лесные гнилушки: электроны в возбужденных атомах перескакивают на недозволенные орбиты и становятся нестабильными. Состояния электрона любопытны тем, что он переходит из одного в другое скачкообразно.
Энергия электронной оболочки квантуется, т. е. делится на порции. Так происходит с энергией в любых физических процессах, но человек не замечает квантования, потому что порции энергии бесконечно малы. Нам кажется, что она расходуется плавно. Перемещения электрона из дозволенного состояния в недозволенное и наоборот не могут сопровождаться плавным изменением энергии. Ведь частица столь мала, что и энергия ее импульса ничтожна. Отсюда невероятные скачки электрона и квантование его орбит и состояний.
Разным орбитам соответствуют разные состояния и разные значения энергии электрона. От состояния электронов во внешнем электронном слое зависит способность атома вступать в химическую связь. Когда квантовую модель атома Бора объединили с представлениями о волновой природе электрона, то получилось, что никаких электронных орбит не существует. Положение электрона в заданный момент времени определить невозможно, т. к. он перемещается скачкообразно, без ускорения. В результате частица распределяется по всей своей орбите.
Орбита уже сама на себя непохожа. Поэтому было решено назвать ее электронной орбиталью – местом, где отрицательная частица пребывает с наибольшей вероятностью. Еще орбиталь именуют электронным облаком, поскольку распределенный вокруг атомного ядра, вечно пребывающий в суетном движении электрон действительно напоминает небольшое косматое облачко. Поскольку электрон обладает волновыми свойствами, то можно сказать, что вдоль всей орбитали устанавливается стоячая волна.
В 1974 г. американскими физиками Ритцем и Бартелом были с применением метода голографии впервые получены увеличенные в 500 млн раз микрофотографии атомов. Атомы принадлежали инертным газам неону и аргону. На фотографиях отчетливо выделяются размытые электронные облачки. Так ученые смогли воочию увидеть орбитали.
Однажды у писателя К. Мая, известного своими романами об индейцах, спросили его мнение касательно нашумевшего открытия В. К. Рентгена. Писатель ответил, что открытие является подлинной сенсацией, однако, как и любая сенсация, оно вскоре предастся забвению. Любопытно, что профессор Вюрцбургского университета, немецкий физик Рентген очень любил читать «ковбойские истории» К. Мая. Представлять особо великого физика не нужно, поскольку он известен всему миру как первооткрыватель рентгеновских лучей.
Рентген был выдающимся физиком-экспериментатором, причем, скорее всего, именно умение блестяще ставить опыты и добиваться однозначных результатов привело ученого к замечательному открытию. Рентген, как и Дж. Дж. Томсон, изучал электрические разряды в газах и наблюдал за катодными лучами. Собственно говоря, глубокий интерес Томсона и прочих физиков был вызван как раз открытием Рентгена. До него ученые в течение нескольких лет наблюдали катодные лучи, но так и не пришли к каким-либо серьезным выводам.
В конце XIX в. Рентген ставил опыты с классической газоразрядной трубкой, снабженной двумя электродами – положительным (анодом) и отрицательным (катодом). Из трубки был выкачан почти весь воздух, в ней создавалось давление примерно 10 Па. В то время уже было известно, что катод испускает какие-то особые лучи. Томсон впоследствии доказал, что катодные лучи представляют собой поток электронов, срывающихся с катода. В опытах Рентгена электроны падали не на люминофорный экран, а на анод, вызывая на нем желто-зеленое свечение. В ноябре 1895 г. физик обнаружил, что трубка странным образом воздействует на соли бария.
Завернутая в черную, светонепроницаемую бумагу, она заставляла барий светиться. Едва Рентген отключал трубку, как свечение солей пропадало. Тогда физик изготовил экран, покрытый солями бария, и стал наблюдать, как засвечивает этот экран трубка. Рентген предположил, что она испускает неизвестный науке род невидимых лучей. Ученый помещал на их пути различные предметы, чтобы по изменению светимости экрана сделать вывод об общих свойствах невидимого излучения. Оказалось, что X-лучи (икс-лучи), как назвал их экспериментатор, обладают высокой проницаемостью. Они задерживаются металлами, но свободно проходят сквозь бумагу, эбонитовую пластинку и многие другие материалы.
Ради любопытства физик поместил на пути X-лучей собственную руку. Мягкие ткани оказались прозрачны для невидимого излучения, тогда как костная ткань была слишком плотной и не пропускала его. В результате кости дали тень на экран, и физик увидел четкое изображение скелета собственной кисти. Своему открытию Рентген посвятил статью «О новом роде лучей», опубликованную на всех европейских языках и знакомую ученым всего мира. К физику пришла слава. Обнаруженное им излучение назвали в его честь, он стал первым ученым, удостоенным Нобелевской премии. Однако физик боялся этой славы и до конца жизни отказывался называть X-лучи рентгеновскими.
Рентген не смог объяснить природу лучей, поскольку не знал о существовании электронов. Хуже того, ученый настойчиво отрицал сам факт их существования, когда элементарные частицы были обнаружены Томсоном спустя год после открытия Рентгена. Известно, что физик строжайше запретил помощникам и ученикам произносить само слово «электрон» в своей лаборатории. Как бы то ни было, лучи эти возникают из-за резкого торможения электронов на аноде разрядной трубки. Человек не способен видеть излучение потому, что оно имеет слишком короткую длину волны.
X-лучи позволили физикам открыть и изобрести немало интересного. В первую очередь следует упомянуть рентгеноструктурный анализ. Рентгеновское излучение обладает основными свойствами светового, а потому способно испытывать дифракцию, т. е. огибать небольшие препятствия и создавать при этом сложный теневой рисунок. Но поскольку оно коротковолновое, то, следовательно, подходящие для него препятствия являются микроскопическими, имеющими размеры молекул. Таким образом, при помощи рентгеновских лучей можно просвечивать молекулярную структуру вещества, проводя точнейший анализ, называемый рентгеноструктурным.
Другое достижение, которым физика обязана открытию Рентгена, – рождение новой науки – рентгеновской астрономии. В космосе находится множество источников этого невидимого излучения, о природе которых астрофизики могут судить благодаря специальной технике, оснащенной детекторами X-лучей. Наиболее впечатляющим открытием рентгеновской астрономии стало обнаружение звезд класса нейтронных пульсаров, периодически испускающих в пространство X-лучи. Природа этих объектов до конца не изучена, астрофизики не могут с полной уверенностью сказать, что именно заставляет эти светила вести себя столь необычным образом. Однако у ученых появилась рабочая гипотеза.
Пульсар, вещество которого давно подверглось нейтронизации, является частью двойной системы, куда входит нормальная плазменная звезда. Нейтронизация вещества означает, что все электроны пульсара под действием его же собственной гравитации были вжаты в протоны, которые в результате утратили заряд и превратились в нейтроны.
Почти все сверхплотное вещество такой звезды состоит из сильно сжатых нейтронов. Пульсары обладают большой массой и перетягивают на себя часть плазмы от своей соседки – нормального светила. Поэтому на поверхность нейтронной звезды, как на гигантский анод, обрушивается поток электронов, испускающих рентгеновские лучи, которые регистрируются астрономическими приборами.
В числе наиболее значимых изобретений, основанных на использовании невидимых лучей, следует назвать устройства, благодаря которым было сформировано одно из главных направлений в медицинской диагностике – рентгенография и ее разновидности. Первый медицинский рентгенографический снимок был выполнен первооткрывателем X-лучей. Речь идет о фотографии кисти Рентгена. Этот снимок физик сделал самостоятельно.
Первым человеком, который понял необходимость широкого применения просвечивающей рентгеновской техники в медицинской диагностике, была жена и помощница П. Кюри, одна из пионеров исследования радиоактивности М. Склодовская-Кюри. В годы Первой Мировой войны (1914–1918 гг.) она старательно убеждала врачей и правительства европейских стран применять невидимые лучи при обследовании раненых бойцов и всячески способствовала постройке и внедрению в практику рентгеновских аппаратов.
Под ее руководством были разработаны ранние модели медицинских рентгенографических установок. Склодовская-Кюри лично обучила работе на этих аппаратах 1500 врачей, положив начало медицинской рентгенографии. В нашей стране первые аппараты рентгеновской диагностики появились в 1947 г. Это были установки под серийным номером РУМ-2, разработанные руководителем физической лаборатории Московского рентгенорадиологического института В. В. Дмоховским.
Существенным недостатком рентгена является наличие т. н. теней на снимках. Они создаются органами и тканями, изображения которых накладываются на пленку и перекрывают собой основное изображение. Поскольку и теневые проекции, и проекция нужного участка организма лежат в одной плоскости, то получается смесь из нечетких, размытых образов. Естественно, современная рентгеновская аппаратура и уровень квалификации специалистов почти не оставляют возможности неправильного прочтения снимков.
Тем не менее во многих случаях расшифровать рентгенограмму оказывается очень трудно. Нетипичные же ситуации приводят к тому, что снимки вносят путаницу. Чтобы наверняка освободиться от этого недостатка рентгеновского аппарата, английский физик Г. Хаунсфилд в 1960-х гг. решил применить для обработки информации, получаемой с помощью рентгена, компьютеры. В то время вычислительная техника оставляла желать лучшего, поэтому Хаунсфилду пришлось ждать 10 лет, пока не появятся технологии, отвечающие поставленной задаче.
В 1972 г. ученым был построен первый в мире компьютерный томограф. Изображение в этом диагностическом аппарате не отпечатывается на фотопластинке, а строится самим компьютером. Первоначально электронный мозг подбирает в соответствии с программой ширину рентгеновского луча, которая должна равняться ширине исследуемого слоя тканей. Затем рентгеновская трубка вращается вокруг человека, луч проводит сканирование выбранного участка. Компьютер измеряет плотность разных тканей и органов по интенсивности поглощения луча, после чего преобразует принятый детектором сигнал в цифровое сообщение.
На основе построенной цифровой модели исследуемого слоя воссоздается изображение. Так, послойно, можно рассмотреть любой орган. Толщина слоев такова, что никаких теней от соседних тканей не наблюдается. Качество послойных томографических снимков мало чем уступает качеству и наглядности анатомических срезов. Но если последние можно получить лишь посредством препарирования трупа, то томограф дает картинку организма живого человека.
Вводя контрастные вещества во внутренние органы, врач может наблюдать на экране аппарата даже протекание ряда физиологических процессов. Наиболее впечатляют исследования мозга, т. к. ученые благодаря томографии получили уникальную возможность наблюдать чуть ли не течение мысли.
Великий философ античности Аристотель (IV в. до н. э.) задавался вопросом о чувствах и символах. Мыслит ли человек символами (словами и числами) или же облекает в символическую форму естественные ощущения? Философ заключил, что ощущения первоначальны и главенствуют, а слова и прочие символы изобретаются позднее. С Аристотелем многие не соглашались. Томография показала, что мудрец был прав: человек изначально обрабатывает информацию через органы чувств.
Впрочем, посредством компьютерных томографов можно исследовать и мертвые тела. Это делается тогда, когда анатомическое препарирование может повлечь за собой серьезные повреждения. Например, ученые долгое время не могли исследовать знаменитые египетские мумии, поскольку снятие бинтов превратило бы тела в прах. Томограф выявляет ткани любой плотности и создает цветное изображение, на котором четко видны границы органов и пр.
Нашумевшее обследование на компьютерном томографе мумии царской певицы и танцовщицы Табес позволило открыть немало секретов бальзамирования, а также особенностей физиологии и патофизиологии людей, живших около 3000 лет назад. Так, по нарушениям костной ткани черепа удалось узнать, что 30-летняя женщина умерла от опухоли мозга.
Три тысячелетия – не предел для компьютерной томографии. Три миллиона лет назад жил «бэби из Таунга» – пятилетний малыш, череп которого был обнаружен в 1925 г. известным палеоантропологом P. Дартом в ЮАР. Тогда, в 1920-е гг., находка не вызвала ни малейшего интереса. Теперь череп ребенка тщательно исследуется на томографах. И неудивительно, ведь малыш является переходным звеном между обезьяной и человеком.
Деление ядра
Атомное ядро является самой массивной и наиболее важной частью атома. Он обладает какими-либо постоянными химическими свойствами и остается неделимым до тех пор, пока цело его ядро. Ядерные силы, связывающие заряженные частицы, которые входят в его состав, позволяют атому не расщепляться под любым химическим воздействием и иметь валентные свойства.
Ясно, что эти силы в масштабах своего действия колоссальны. Таким образом, атомное ядро насыщено огромной энергией. Выделение ее из ядер для промышленных нужд было освоено человеком всего около 50 лет назад и стало одним из крупнейших достижений науки. Оттого прошедшее столетие называют атомным веком.
