Наука Плоского мира - Йен Стюарт

Теперь-то мы знаем, что в основе периодической структуры таблицы Менделеева лежит прочное основание: атомы вовсе не являются неделимыми, как думали Демокрит с Бойлем. Другое дело, что разделить их химическим способом, то есть устроив некую реакцию в пробирке, – нельзя. Тем не менее вы можете расщепить атомы с помощью аппаратуры скорее физической, нежели химической. Ядерная реакция требует гораздо более высоких затрат энергии в пересчете на один атом, чем нужно для химической реакции. Именно поэтому средневековым алхимикам так и не удалось превратить свинец в золото. Сегодня это сделать можно, однако подобная технология окажется слишком дорогой, а количество полученного золота – микроскопическим. В общем, все выйдет как у алхимиков Плоского мира, с великим трудом научившихся превращать золото в меньшее количество золота.

Благодаря усилиям физиков мы знаем, что атомы состоят из других, еще более мелких частичек. Некоторое время назад считали, что частиц этих – три: нейтрон, протон и электрон. Нейтрон и протон имеют примерно одинаковую массу, а электрон по сравнению с ними – гораздо меньшую. Протон заряжен позитивно, электрон – прямо противоположно протону, то есть негативно, а нейтрон вообще не имеет электрического заряда. Атомы не несут заряда, поскольку количество протонов и электронов в них одинаково, в то время как количество нейтронов не определено. Вы можете довольно точно вычислить атомные веса, просто сложив количество протонов и нейтронов. Например, в атоме кислорода содержится по восьми штук тех и других, следовательно, его атомный вес – 16.

По человеческим меркам, даже и сами-то атомы невероятно малы (диаметр атома свинца – примерно одна стомиллионная дюйма, или одна двухсотпятидесятимиллионая сантиметра), что же говорить о частицах, их составляющих. Сталкивая атомы друг с другом, физики обнаружили, что те ведут себя так, как будто протоны и нейтроны располагаются на небольшом участке в центре, а электроны рассеяны в окрестностях этого ядра и занимают сравнительно большую область. Одно время атом даже рисовали в виде крошечной Солнечной системы, где роль Солнца играло ядро, а в роли вращающихся вокруг него планет выступали электроны. Тем не менее эта модель оказалась не слишком удачной, поскольку электрон – это движущийся заряд и, согласно классической физике, должен излучать радиацию, а исходя из предложенной модели все электроны в атоме потеряют всю свою энергию и упадут на ядро в течение доли секунды. Согласно физике, развившейся со времени эпохальных открытий Исаака Ньютона, атом, устроенный подобно Солнечной системе, невозможен. И тем не менее этот миф, эти «враки детям» автоматически всплывают в голове, и так просто их не искоренить по той причине, что они содержат убойное количество нарративиума.

После долгих споров физики, работавшие с материей на микроуровне, все-таки решили придерживаться планетарной модели атома, отказавшись для этого от ньютоновской модели и заменив ее так называемой квантовой. Самое забавное, что модель эта тоже не работает, однако она просуществовала достаточно, чтобы на ее основе развилась квантовая физика, согласно которой протоны, нейтроны и электроны, формирующие атом, не занимают строго определенных мест, а как бы «размазаны» в некотором объеме. И область такого «размазывания» вполне можно определить: протоны и нейтроны окажутся распределены в крошечной зоне по центру атома, а электроны – вокруг них.

Впрочем, какой бы ни была физическая модель, все согласны, что химические свойства атома по большей части зависят от электронов, ведь именно они находятся снаружи. Атомы объединяются, обмениваясь электронами и формируя таким образом молекулы. Данный процесс относится уже к ведению химии. Раз атом электрически нейтрален, значит, количество электронов должно быть равным количеству протонов. Это число, оно же – атомный номер, и лежит в основе Периодической таблицы Менделеева, а вовсе не атомные веса. Впрочем, атомные веса обычно в два раза больше атомных номеров, поскольку по квантовым причинам количество нейтронов близко к количеству протонов, так что в принципе неважно, какое число использовать – порядок расположения химических элементов практически не изменится. Тем не менее атомный номер лучше всего подходит для объяснения химических зависимостей и периодичности. Оказалось, что период, равный восьми, действительно очень важен, потому что электроны распределены в последовательности концентрических оболочек, подобных матрешке, и для элементов в верхней части таблицы каждая такая оболочка может содержать не более восьми электронов.

Чем дальше, тем оболочек становится больше, и период возрастает. По крайней мере, так в 1904 году предположил Джозеф Джон Томпсон. Кстати, современная квантовая физика предполагает существование бо́льшего количества частиц, чем три «фундаментальные», она гораздо сложнее, однако, несмотря на замысловатые уравнения, выводы из них следуют те же самые. Как всегда, изначально простая история по мере того, как ее рассказывали и пересказывали, совершенно запуталась и превратилась для большинства людей в магию. С науками такое случается.

Но даже упрощенная версия этой истории дает ответы на множество загадок, казавшихся ранее неразрешимыми. Ну, например: если атомный вес – это сумма протонов и нейтронов, как же так выходит, что далеко не всегда в результате получается целое число? Почему атомный вес того же хлора 35,453? Оказалось, что имеет место быть два различных подвида хлора. Один с атомным весом 35, содержащий 17 протонов и 18 нейтронов (и, естественно, 17 электронов, столько же, сколько протонов), а другой – 17 протонов и 20 нейтронов (и опять же 17 электронов, тут все без изменений). То есть он содержит на два нейтрона больше, из-за чего его атомный вес и вырастает до 37. Природный хлор представляет собой смесь этих двух подвидов (так называемых изотопов) примерно в пропорции 3 к 1. С химической точки зрения изотопы почти неразличимы, поскольку количество и расположение электронов у них одинаково, и для химических опытов этого достаточно. Однако их атомная физика отличается.

Отсюда даже не-физику (лирику) становится совершенно понятно, почему волшебники Незримого университета считают, что наша Вселенная сделана второпях и из никуда не годных элементов…

Но откуда взялись эти 113 химических элементов? Существовали ли они всегда или появились уже после рождения нашей Вселенной?

Что касается последней, существует пять способов их возникновения.

• Устройте Большой взрыв и создайте вселенную, получив суп из высокоэнергетических «горячих» элементарных частиц. Подождите, пока они остынут или возьмите уже готовые. По всей видимости, помимо полезной материи, вы получите всякие сомнительные штуковины вроде миленьких черных дыр или магнитных монополей, однако все они скоро выкипят, и в сухом остатке у вас будет привычная материя. Электромагнитные силы в такой горячей вселенной слабы и не могут противостоять ее разрывам, но как только все остынет, элементарные частицы смогут объединяться благодаря электромагнитному притяжению. Правда, единственный химический элемент, который возникнет спонтанно, это водород (1 протон + 1 электрон), зато уж его вы получите в избытке: в нашей Вселенной водород – самый распространенный элемент, и почти весь он возник в результате Большого взрыва. Еще элементарные частицы могут образовать дейтерий (1 электрон + 1 протон + 1 нейтрон) или тритий (1 электрон + 1 протон + 2 нейтрона), но тритий, вообще говоря, радиоактивен, то есть, испустив все свои нейтроны, он распадется до простого водорода. Второй по распространенности элемент – гелий (2 электрона + 2 протона + 2 нейтрона) вполне стабилен.

• Включите гравитацию. Водород и гелий начнут собираться вместе, формируя звезды, те самые «топки», о которых говорили волшебники. Давление в центре звезды огромно. Это введет в игру новые ядерные реакции, и вы получите термоядерный синтез, при этом атомы будут сдавлены с такой силой, что объединятся в новые, более крупные атомы. Таким способом образуются всем знакомые углерод, азот, кислород, а также менее распространенные литий, бериллий и так далее, вплоть до железа. Многие из этих элементов встречаются в живых телах, и самый важный из них – углерод. По причине своей уникальной электронной структуры углерод – единственный элемент, атомы которого могут объединяться друг с другом в более крупные и сложные молекулы, без которых жизнь была бы невозможна[21]. Отсюда следует вывод: бо́льшая часть атомов, из которых мы с вами состоим, появилась на свет внутри какой-нибудь звезды. Как пела Джонни Митчелл в Вудстоке: «Мы – звездная пыль»[22]. Ученые обожают цитировать эту строчку, видимо чувствуя себя при этом до сих пор молодыми.