Наука и удивительное
(Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор - Страница 27

Молекулы и атомы в твердых телах столь близки, что они часто сливаются; соседние электронные конфигурации при этом перекрываются так сильно, что все твердое вещество следует рассматривать как одну большую молекулу. Для металлов, например, характерно, что внешние электроны атомов образуют конфигурации, простирающиеся по всему куску металла. Поэтому металлы служат хорошими проводниками электричества; электроны свободно переходят от одного атома к другому.

При более высоких температурах тепловое движение усиливается и разрушает упорядоченное расположение молекул или атомов в твердом теле. Молекулярные силы все еще держат молекулы плотно упакованными, но уже не могут заставить их располагаться упорядоченным образом. Поэтому в таких телах сопротивление деформированию или изгибанию отсутствует. Однако молекулы все еще остаются друг возле друга, они образуют жидкость. Переход от твердого тела к жидкости зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Если оно велико, как в горной породе или в металле, то нужна высокая температура, чтобы преодолеть связи, удерживающие молекулы в правильном порядке; если же оно мало, как в воде или воздухе, переход в другое агрегатное состояние происходит при меньших температурах.

Если температура становится выше точки плавления, то тепловое движение усиливается настолько, что преодолевает не только упорядочивающее, но и связывающее действие межмолекулярных сил. Тогда молекулы отрываются друг от друга вследствие теплового движения и разлетаются по всем направлениям, сталкиваясь между собой и налетая на стенки сосуда. Они больше не упакованы плотно, а распределены по всему доступному объему. Тогда мы получаем уже газ. Температура, при которой образуется газ, также зависит от сил между молекулами. В воздухе эти силы столь малы, что не могут удерживать молекулы вместе уже при обычных температурах. В некоторых металлах и горных породах они так велики, что для перехода этих веществ в газообразные состояния нужна температура, примерно равная 2000 °C.

Увеличение температуры ослабляет характерные свойства и степень организации вещества. В твердом состоянии вещества имеют типичные формы (кристаллов), обладают специфическим строением и твердостью и их легко распознать. В жидком состоянии собственная форма и структура утеряны — вещество принимает форму сосуда, сохраняются только характерная плотность, цвет и ограничивающая поверхность. Переход в другое агрегатное состояние виден особенно четко, когда снежинка с ее сложной гексагональной структурой превращается в аморфную каплю воды. Газообразное состояние еще менее специфично. Газообразное вещество утратило свою характерную плотность и поверхность, остались только его цвет и запах. Однако во всех трех состояниях вещество построено из одних и тех же молекул или атомов; одни и те же атомы металла входят в твердый, жидкий или газообразный металл; одни и те же молекулы образуют лед, воду и пар.

В предыдущей главе мы показали, что все нас окружающее есть комбинация 92 атомных ядер и их электронов. Все вещества и формы всего существующего суть результаты взаимодействия различных электронных волновых конфигураций и их комбинаций. Электроны принимают свои характерные конфигурации, когда они. собираются вокруг ядра; таким путем образуются атомы, которые соединяются в молекулы. Эти конфигурации обусловливают специфические свойства веществ и придают каждому веществу особый характер.

Конфигурации могут деформироваться и разрушаться в результате столкновений частиц с большими энергиями или вследствие других сильных воздействий, но они обладают известной типичной устойчивостью. Мы видели, например, что при температурах, которые наблюдаются на поверхности Земли, энергия теплового движения недостаточна для разрушения атомных и большинства молекулярных волновых картин. Вот почему вещества, находящиеся в окружающей нас среде, обладают специфическими свойствами. Предел устойчивости атома или молекулы различен для разных видов атомов и молекул. Он зависит от ряда факторов, но главным образом от размера атомов и молекул. Крупные единицы менее устойчивы, чем мелкие. Большие молекулы легче расщепить, чем маленькие. Чрезвычайно крупные молекулы, входящие в состав органических веществ, например мяса и овощей, разрушаются в процессе пищеварения, происходящем при относительно низкой температуре нашего желудка. Однако, как мы видели в гл. VI, расщепление значительно меньших молекул кислорода требует температуры пламени. Удаление электрона из атома водорода, самого маленького атома, требует еще больших энергий. Оно не происходит в пламени, но наступает в сильном электрическом разряде.

Связь между размером и устойчивостью есть прямое следствие волновой природы частиц. Вспомним, что длинная струна рояля дает более низкую ноту и более низкие обертоны, чем короткая. Аналогичным образом длинноволновая конфигурация также должна соответствовать более низким частотам. Согласно фундаментальному соотношению между частотой и энергией, более низкая частота отвечает и меньшей энергии. Мы ожидаем, что волновая картина больших размеров обладает меньшей энергией и чувствительна к более слабым возмущениям. Вот почему соотношение между размером и устойчивостью носит столь универсальный характер. Чем меньше система, тем больше ее устойчивость, тем больше энергии требуется для нарушения ее характерной структуры.

Как мы видели, вещество состоит из электронов и атомных ядер. Каждый элемент имеет свое собственное атомное ядро, несущее определенное число единиц заряда. Этот заряд ответствен за свойства атома, так как он определяет число электронов в атоме и принимаемую ими конфигурацию. Здесь мы считаем ядро атома неделимым целым, заряд и масса которого характерны для данного типа атомов. Атомы каждого элемента имеют свое, типичное для них ядро. Вещество состоит из множества разных «элементарных частиц»; электронов и различных характерных для каждого элемента ядер.

Но такое положение дел неудовлетворительно. Удобнее было бы допустить, что различные типы атомных ядер построены из нескольких простых компонент. Тогда все атомные ядра являлись бы структурами, состоящими из таких компонент, и именно эти последние, а не ядра естественно было бы считать элементарными частицами.

До сих пор мы рассматривали атомные ядра как массивные частицы, наделенные только положительным зарядом, но, по-видимому, лишенные какой бы то ни было структуры. Может ли быть, что их бесструктурность только кажущаяся, так же как и у атомов, находящихся ниже порога возбуждения? Из нашего соотношения между размером и устойчивостью вытекает, что малый размер ядра должен означать очень высокий порог возбуждения, значительно превышающий порог возбуждения атома. Вероятно, следует ожидать, что внутренняя структура ядра несущественна для динамики атома, и ее удается наблюдать только при более высоких энергиях, чем те, с которыми мы имели дело в атомных и молекулярных проблемах.

Одним из важнейших успехов современной физики было экспериментальное открытие квантового мира внутри маленького ядра, мира, подобного тому, который существует в значительно большем атоме. Оказалось, что атомные ядра действительно обладают структурами и что они построены из частиц двух сортов — протонов и нейтронов. Протон идентичен наиболее легкому ядру, ядру водородного атома: он несет единичный положительный заряд, и его масса в 1840 раз больше массы электрона. Нейтрон имеет почти такую же массу, как протон, но не несет никакого заряда.

Таким образом, заряд ядра равен числу содержащихся в нем протонов, так как каждый протон несет единицу заряда. Поэтому число протонов в каждом ядре совпадает с атомным номером элемента Z. Маленькая таблица значений Z на стр. 81 дает число протонов, содержащихся в ядрах элементов. Нейтроны не имеют заряда, они дают вклад только в массу ядра. В общем случае в ядре несколько больше нейтронов, чем протонов.