Перейти к содержимому


Физика


Сообщений в теме: 41

#1 Triff11

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 8 206 сообщений
  • LocationЛатвия. Рига

Отправлено 16 Февраль 2012 - 01:13

Электроны


Катодные лучи


Когда Левкипп и его ученик Демокрит впервые ввели понятие «атом», они представляли себе его как конечную неделимую частицу вещества. Более двух тысячелетий спустя Дальтон поддержал эту точку зрения. Согласно такому определению, атом не должен иметь внутренней структуры. Ведь если какой-то атом можно разделить на более мелкие частицы, то истинными атомами будут именно эти частицы.

На протяжении всего XIX в. атом считался неделимым, лишенным каких-либо характерных особенностей и не имеющим внутренней структуры. Однако после проведения ряда экспериментов, которые по своей природе даже не были химическими, эта точка зрения была отвергнута. К ломке старых представлений привело изучение электрического тока.

Как известно, между положительно и отрицательно заряженными точками устанавливается электрический потенциал (электрическое напряжение). Под действием такого напряжения заряды перемещаются от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Таким образом возникает электрический ток, который стремится выравнять разность потенциалов между двумя точками электрического поля.

Через одни материалы электрический ток протекает легче, через другие труднее. Так, через металлы ток проходит легко даже при небольшом электрическом потенциале, и металлы относят к классу проводящих материалов - проводников. Чтобы через стекло, слюду или серу прошел ток даже небольшой силы, необходим огромный электрический потенциал; эти и подобные им материалы называют непроводящими материалами - изоляторами.

И все-таки приложив достаточный электрический потенциал, можно пропустить ток через любой материал - твердый, жидкий и газообразный. Первые исследователи электричества в своих еще не очень серьезно обоснованных экспериментах установили, что некоторые жидкости, например растворы солей, проводят электрический ток сравнительно легко. Молния - электрический разряд, образующийся во время грозы, - мгновенно распространяется через толщу воздуха в несколько километров.

Экспериментаторам XIX в. представлялось весьма заманчивым попытаться пропустить ток через вакуум. Но чтобы результаты такого эксперимента были надежными, необходимо было получить достаточно глубокий вакуум. Попытки Фарадея пропустить электрический ток через вакуум окончились неудачей только потому, что ему не удалось получить достаточно глубокого вакуума.

В 1855 г. немецкий стеклодув Генрих Гейслер (1814-1879) изготовил стеклянные сосуды особой формы и вакуумировал их им же изобретенным способом. Его друг немецкий физик и математик Юлиус Плюккер (1801-1868) использовал эти трубки Гейслера для изучения электрических разрядов в вакууме и газах.

Плюккер впаял в трубки два электрода, создал между ними электрический потенциал и получил электрический ток. Под действием тока в трубках возникало свечение («эффект накаливания»), характер которого зависел от глубины вакуума. При достаточно глубоком вакууме свечение в трубке исчезало, и только вблизи анода было заметно зеленое свечение стекла трубки.

Приблизительно в 1875 г. английский физик Уильям Крукс (1832-1919) сконструировал трубки, в которых можно было получить более глубокий вакуум (трубки Крукса). Исследовать электрический ток, проходящий через вакуум, стало удобнее. Казалось совершенно очевидным, что электрический ток возникает на катоде и движется к аноду, где он ударяется в окружающее анод стекло и создает свечение. Чтобы доказать справедливость такого понимания явления, Крукс помещал в трубку кусок металла, при этом на стекле на противоположном от катода конце [1] появлялась тень. Однако в то время физики не знали, что представляет собой электрический ток. Они не могли вполне определенно сказать, что же все-таки движется от катода к аноду, правда им доподлинно было известно, что этот поток движется прямолинейно (поскольку тень от металла была четко очерчена). Не придя ни к какому выводу относительно природы этого явления, физики отнесли его к «излучению», и в 1876 г. немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850-1930) назвал этот поток катодными лучами. Казалось естественным предположить, что катодные лучи представляют собой какую-то форму света, обладающую волновым характером. Волны, подобно свету, распространяются прямолинейно и, подобно свету, не испытывают влияния сил тяготения. В то же время катодные лучи вполне могут представлять собой частицы, движущиеся с огромной скоростью. Поскольку масса этих частиц чрезвычайно мала или поскольку они движутся чрезвычайно быстро (или и по той, и по другой причине), они или вообще не испытывают действия силы тяжести, или же это действие не проявляется в сколько-нибудь заметной степени. В течение нескольких десятилетий ученые не могли прийти к единому мнению относительно природы катодных лучей. Причем немецкие физики решительно выступали за то, чтобы считать катодные лучи колебаниями, а английские физики столь же решительно настаивали на том, что катодные лучи - это частицы.

Решить этот спор можно было бы, попытавшись установить, отклоняются ли катодные лучи под действием магнитного поля.

Сам Плюккер и независимо от него Крукс показали, что такое отклонение существует. Оставалось решить еще один вопрос. Если катодные лучи представляют собой заряженные частицы, то электрическое поле также должно их отклонять. Однако доказать, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле, удалось далеко не сразу. Только в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940), работая с трубками с очень глубоким вакуумом, сумел в конце концов показать, что катодные лучи отклоняются под действием электрического поля. Это было последним звеном в цепи доказательств, и теперь оставалось лишь согласиться с тем фактом, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Величина отклонения частицы в магнитном поле заданной напряженности определяется массой частицы и величиной ее электрического заряда. Томсону удалось измерить соотношение массы и заряда частицы, хотя измерить эти величины отдельно он не смог.

Как известно, наименьшей массой обладает атом водорода, и если предположить, что частица катодных лучей имеет такую же массу, то электрический заряд ее должен быть в сотни раз больше, чем наименьший известный заряд (заряд иона водорода). В то же время если предположить, что заряд частицы катодных лучей равен минимальному заряду, наблюдаемому у ионов, то в этом случае масса частицы должна быть во много раз меньше массы атома водорода. Поскольку Томсон определил только соотношение массы и заряда, то равновероятны были оба варианта.

Тем не менее имелись веские причины считать, что частица катодных лучей намного меньше любого атома. В 1911 г. американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868-1953) измерил, вполне точно, минимальный электрический заряд, который может нести частица, и тем самым доказал справедливость такого предположения.

Если частица катодных лучей несет такой минимальный заряд, ее масса должна составлять лишь 1/1837 массы атома водорода. Таким образом была открыта первая из субатомных частиц.

Еще со времени открытия законов электролиза Фарадея бытовало представление, что электричество может переноситься частицами. В 1891 г. ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911) даже предложил название основной единицы электричества (не вдаваясь в детали, частица это или не частица). Он предложил называть ее электроном [2]. Итак, в результате изучения катодных лучей был открыт «атом электричества», о котором ученые думали и гадали более полувека. Учитывая важность работы Дж. Дж. Томсона, его можно считать первооткрывателем электрона.


Изображение
Используя трубку для получения катодных лучей, Томсон измерял отклонение потока электронов в электрическом поле известной напряженности.



Фотоэлектрический эффект


Оставалось установить, существует ли какая-либо связь между электроном и атомом. Итак, электрон - это частица электричества, атом - частица вещества; и тот и другой могут быть лишенными внутренней структуры конечными частицами, совершенно независимыми друг от друга. И тем не менее мало кто сомневался в том, что какая-то связь между атомом и электроном существует.

В 80-х годах XIX в. Аррениус разработал теорию ионной диссоциации. Объясняя поведение ионов, он исходил из того, что ионы - это электрически заряженные атомы или группы атомов. В то время большинству химиков такое объяснение показалось абсурдным, но впоследствии выяснилось, что оно имеет глубокий смысл.

Если электрон присоединится к атому хлора, то при этом получится атом хлора, несущий единичный отрицательный заряд, т. е. образуется ион хлора (хлорид-ион). Если к группе атомов, состоящей из атома серы и четырех атомов кислорода, присоединятся два электрона, то в результате получится сульфат-ион, несущий двойной отрицательный заряд, и т. д. Таким образом можно легко объяснить причины образования всех отрицательно заряженных ионов.

Но как образуются положительно заряженные ионы, например ион натрия? Ион натрия - это атом натрия, несущий единичный положительный заряд. Никакими данными о существовании положительно заряженной частицы, аналогичной электрону, исследователи того времени не располагали. Поэтому оставалось допустить, что положительный заряд может создаваться в результате ухода одного или двух электронов из атома. Иными словами, эти один или два электрона должны быть как бы частью самого атома!

Это допущение нарушало все привычные представления, и тем не менее оно было, как показал в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894), вполне вероятным.

В 1886-1887 гг. Герц, пропуская электрическую искру через воздушный зазор между двумя электродами (так называемый искровой промежуток), обнаружил, что при облучении катода ультрафиолетовым светом искра возникала легче. Это и другие подобные явления, наблюдаемые при освещении металлов светом, как было установлено впоследствии, обусловлены фотоэлектрическим эффектом [3].

В 1902 г. немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард (1862-1947), работавший раньше ассистентом в лаборатории Герца, показал, что фотоэлектрический эффект вызывается эмиссией электронов из металла.

Фотоэлектрический эффект характерен для многих металлов, причем металлы испускают электроны под действием света даже в отсутствие электрического тока или электрического заряда в непосредственной близости от них. Этот факт дал повод предполагать, что атомы металлов (а возможно, и атомы вообще) содержат электроны.

Однако в обычном состоянии атомы не несут электрического заряда. Поэтому если атомы содержат отрицательно заряженные электроны, они должны содержать и положительно заряженные частицы, чей положительный заряд компенсирует отрицательный заряд электронов. Ленард полагал, что атомы могут представлять собой скопление как отрицательно, так и положительно заряженных частиц, различающихся только зарядом. Такое предположение казалось совершенно невероятным - почему в таком случае атом никогда не испускает положительно заряженных частиц? И почему он всегда испускает электроны и только электроны?

Пытаясь решить этот вопрос, Дж. Дж. Томсон предположил, что атом представляет собой твердый шар из положительно заряженного вещества, в который, как изюминки в пироге, вкраплены отрицательно заряженные электроны. В обычном атоме отрицательный заряд электронов полностью нейтрализован положительным зарядом самого атома. В результате присоединения дополнительных электронов атом получает отрицательный заряд, а в результате потери нескольких первоначальных электронов - положительный. Однако это представление Томсона поддержки не получило. Хотя положительно заряженные частицы, адекватные электронам, в первые десятилетия XX в. оставались неизвестными, положительно заряженные частицы, правда другого вида, открыты были.

В 1886 г. Гольдштейн проводил эксперименты с решетчатым катодом в вакуумной трубке. Он нашел, что в то время, как катодные лучи распространяются только в одном направлении- к аноду, через отверстия в катоде проходят другие лучи, которые распространяются в обратном направлении.

Поскольку направление распространения этих лучей обратно направлению распространения отрицательно заряженных катодных лучей, то вполне возможно, что они состоят из положительно заряженных частиц. Гипотеза подтвердилась, когда удалось определить, как эти лучи отклоняются магнитным полем. В 1907 г. Дж. Дж. Томсон предложил называть их положительно заряженными лучами.

Эти лучи отличались от электронов не только зарядом. Все электроны имеют одну и ту же массу, равную 1/1837 массы водорода - самого легкого атома; частицы положительно заряженных лучей различались по массе в зависимости от того, следы каких газов содержались в вакуумной трубке, а массы частиц, положительно заряженных лучей были такими же, как и массы атомов. Масса самой легкой частицы равнялась массе атома водорода.

Английский физик (уроженец Новой Зеландии) Эрнест Резерфорд (1871-1937) решил, наконец, признать, что единица положительного заряда принципиально отличается от электрона - единицы отрицательного заряда. В 1914 г. Резерфорд предложил принять в качестве основной единицы положительного заряда частицу положительно заряженных лучей с наименьшей массой, равной массе атома водорода. Когда, уже позднее, Резерфорд занялся изучением ядерных реакций, он сам неоднократно получал частицы, идентичные ядру водорода, что окончательно убедило его в правильности такой точки зрения. В 1920 г. Резерфорд предложил назвать эту основную положительно заряженную частицу протоном.



Радиоактивность


Существование положительно заряженных частиц выявили и исследования совершенно иного рода.

Немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923) заинтересовало, почему катодные лучи заставляют некоторые вещества светиться. Чтобы наблюдать это довольно слабое свечение, Рентген проводил опыты в затемненной комнате и закрывал вакуумную трубку тонким черным картоном. В 1895 г., работая с такой трубкой, он уловил вспышку света, источником которой была явно не трубка. Как выяснилось, светился экран, покрытый фотобумагой, который находился довольно далеко от трубки. Причем светился он только в том случае, если на него попадали катодные лучи.

Рентген пришел к выводу, что когда катодные лучи наталкиваются на анод, возникает какое-то излучение, которое проходит сквозь стекло трубки, картон и воздействует на материалы, находящиеся вне трубки. Рентген переносил фотобумагу в соседнюю комнату, но и там она продолжала светиться до тех пор, пока была включена установка катодных лучей, т. е. открытое им излучение проникало даже сквозь стены. Это всепроникающее излучение Рентген назвал Х-лучами [4]. (Со временем было установлено, что рентгеновские лучи по своей природе аналогичны свету, но обладают гораздо большей энергией.)

Физики сразу же заинтересовались этим открытием. Среди тех, кто первым начал изучать рентгеновские лучи, был и французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908). Он занимался флуоресценцией - свечением, наблюдаемым у ряда веществ после облучения их солнечным светом. Его интересовало, не содержит ли флуоресцентное свечение рентгеновские лучи.

В 1896 г. Беккерель завернул фотопленку в черную бумагу и оставил ее на солнечном свету, поместив на нее кристалл соединения урана, считавшегося флуоресцентным. Обычный свет не может пройти сквозь черную бумагу и воздействовать на фотопленку, в то время как рентгеновские лучи пройдут сквозь бумагу, и пленка при этом почернеет. Конечно, Беккерель обнаружил, что пленка почернела. Однако вскоре выяснилось, что кристалл вызывает почернение пленки, даже если его не облучают солнечным светом, т. е. даже в таких условиях, когда флуоресценция невозможна. Короче говоря, кристалл постоянно испускает проникающее излучение!

Польский ученый (работавшая во Франции) Мария Кюри-Склодовская (1867-1934), первая женщина-физик, назвала это явление радиоактивностью. Она установила, что радиоактивно не соединение урана в целом, а только атом урана. Причем уран сохраняет это свойство вне зависимости от того, в каком состоянии он находится - в металлической элементной форме или в виде соединения. В 1898 г. Кюри-Склодовская открыла, что тяжелый металл торий также радиоактивен. Эти исследования Мария Кюри-Склодовская проводила вместе с мужем - французским физиком Пьером Кюри (1859-1906).

Довольно скоро было установлено, что радиоактивное излучение урана и тория имеет сложную природу. Под действием магнитного поля лучи отклонялись таким образом, что можно было различить три типа излучения. Резерфорд назвал эти три составляющие радиации первыми тремя буквами греческого алфавита: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи.

Поскольку гамма-лучи не отклонялись под действием магнитного поля, то было решено, что они подобны свету, а точнее - рентгеновским лучам, но обладают еще большей энергией. Бета-лучи отклонялись в магнитном поле, причем в том же направлении и на ту же величину, что и катодные лучи. Беккерель решил, что эти лучи состоят из быстрых электронов. Поэтому отдельные электроны, испускаемые радиоактивными веществами, получили название бета-частиц. Осталось еще определить природу альфа-лучей.

Эксперименты с альфа-лучами в магнитных полях показали, что отклонение этих лучей противоположно отклонению бета-лучей. Следовательно, альфа-лучи заряжены положительно. Далее, поскольку альфа-лучи отклоняются очень слабо, они должны обладать очень большой массой. И, как выяснилось впоследствии, масса альфа-частиц в четыре раза больше массы частиц, названных Резерфордом протонами.

Такое соотношение масс, казалось бы, говорило о том, что альфа-лучи - это частицы, состоящие из четырех протонов. Однако в этом случае заряд каждой такой частицы должен быть равен заряду четырех протонов, а опыты показали, что он равен заряду только двух протонов. Исходя из этого, можно было предположить, что наряду с четырьмя протонами альфа-частица содержит также два электрона. Эти электроны нейтрализуют два из четырех положительных зарядов, но массы частицы практически не увеличивают. Этой точки зрения исследователи придерживались в течение примерно тридцати лет. Полагали также, что и другие положительно заряженные частицы с большой массой представляют собой аналогичные комбинации протонов и электронов. Однако при таком подходе ряд вопросов оставался нерешенным. Существовали сомнения относительно того, может ли альфа-частица состоять из такого множества меньших частиц.

Только в 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик (1891-1974), проводя опыты, инициатором которых был Резерфорд, открыл частицу с такой же массой, как и у протона, но в отличие от протона не несущей какого-либо электрического заряда. Поскольку эта частица электрически нейтральна, ее назвали нейтроном [5]. Немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг (1901-1976) сразу же предположил, что положительно заряженные частицы большой массы представляют собой не протонно-электронные комбинации, а протонно-нейтронные. Согласно этому предположению, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов; суммарный положительный заряд такой частицы равен двум, а суммарная масса равна четырем массам одного протона.

Физики нашли, что альфа-частица, состоящая из четырех (а не из шести) субатомных частиц, лучше соответствует теоретическим выкладкам, и идея протонно-нейтронного строения альфа-частиц утвердилась [6].


Изображение
В использованный Рентгеном прибор для получения X-лучей (рентгеновских лучей) входили: высоковольтная индукционная катушка (а); бумажный экран, покрытый цианоплатинатом бария, который светится под действием лучей (б); трубка, закрытая цилиндрическим черным картонным экраном (в), и катод, испускающий электроны (г).


____________________

[1] Начиная с Бенджамина Франклина, все физики, исследовавшие электричество в XVIII и XIX вв., полагали, что ток течет от так называемого положительного полюса к отрицательному. Крукс показал ошибочность этого предположения. На самом деле ток течет от отрицательного полюса к положительному.

[2] См.: Быков Г. В. К истории открытия электрона. - Вопросы истории естествознания и техники, 1969, вып. 3 (28), с. 71-72.

[3] Или просто фотоэффектом. (Другие названия - внешний фотоэффект, фотоэлектронная эмиссия.) Систематическое исследование фотоэффекта в 1888 г. начал русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839-1896).

[4] В нашей стране применяется термин "рентгеновские лучи".

[5] Еще в 1920 г. Чедвик экспериментально доказал равенство заряда ядра порядковому номеру элемента.

[6] По материалам этой главы см.: Льоцци Марио. История физики. Пер. с итал. - М.: Мир, 1970, 464 с.


http://chemistry-che...2012-U1-12.html
Изображение

#2 Triff11

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 8 206 сообщений
  • LocationЛатвия. Рига

Отправлено 16 Февраль 2012 - 01:18

Атомное ядро


Порядковый номер


Радиоактивное излучение урана и тория весьма слабо, его трудно уловить. Изучая радиоактивность минералов урана, Кюри обнаружила, что ряд минералов с низким содержанием урана, например смоляная обманка, обладают большей интенсивностью излучения, чем чистый уран. Кюри пришла к выводу, что в этом минерале кроме урана содержится еще какой-то радиоактивный элемент. Поскольку она знала, что все компоненты, содержащиеся в смоляной обманке в заметных количествах, нерадиоактивны, то неизвестный элемент, содержание которого заведомо было весьма низким, должен был быть чрезвычайно радиоактивным [1]. В течение 1898 г. Мария и Пьер Кюри переработали большое количество смоляной обманки, пытаясь обнаружить новый элемент. И в июле того же года этот новый элемент был найден. В честь родины Марии Кюри его назвали полонием. В декабре был открыт еще один элемент - радий. Радиоактивность радия оказалась чрезвычайно высокой: интенсивность его излучения в 300 000 раз больше, чем у урана. Содержание радия в руде весьма мало. Так, из одной тонны руды супругам Кюри удалось получить только около 0.1 г радия.

Другие сильно радиоактивные элементы были получены лишь в следовых количествах. В 1899 г. французский химик Андре Луи Дебьерн (1874-1949) открыл актиний. В 1900 г. немецкий физик Фридрих Эрнст Дорн (1848-1916) открыл радиоактивный газ, который получил название радона. Радон - один из инертных газов, располагающийся в периодической таблице ниже ксенона. Наконец, в 1917 г. немецкие химики Отто Ган (1879-1968) и Лизе Мейтнер (1878-1976) открыли протактиний.

Экспериментаторы начали применять эти редкие радиоактивные элементы с мощным излучением в «радиационных пушках». Свинец поглощает излучение, и если кусочек вещества, содержащего один из радиоактивных элементов, поместить в освинцованный контейнер с небольшим отверстием, то из контейнера выйдет тонкий пучок радиоактивных лучей, который можно направить на выбранную экспериментатором мишень.

Наиболее эффективно «радиационные пушки» использовал Резерфорд. Начиная с 1906 г. он бомбардировал быстрыми альфа-частицами тонкие листочки металла, например золота. Большинство альфа-частиц проходили сквозь лист металла, не испытывая при этом никакого воздействия и не отклоняясь. Эти частицы регистрировались на флуоресцентном экране, помещенном позади листа металла. Однако некоторые частицы рассеивались, причем под большими по отношению к плоскости металла углами.

Толщина золотой фольги, служившей мишенью, соответствовала двум тысячам атомов, и тем не менее большинство альфа-частиц беспрепятственно проходят через нее, следовательно, можно было предположить, что атом не является сплошным. В то же время некоторые альфа-частицы, сталкиваясь с фольгой, резко отклоняются, следовательно где-то в атоме должна быть положительно заряженная область, в которой сосредоточена практически вся масса атома.

Развивая теорию строения атома, Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома имеется очень маленькое ядро, которое заряжено положительно и содержит все протоны (и все нейтроны, как позднее выяснилось). Атомное ядро должно быть очень небольшим (поскольку лишь очень малая часть альфа-частиц отклоняется, сталкиваясь с мишенью), но в этом ядре должна быть сосредоточена практически вся масса атома.

Во внешних областях атома находятся отрицательно заряженные электроны, масса которых слишком мала, чтобы они могли мешать прохождению альфа-частиц. Хотя массы протона и альфа-частицы сравнимы с массой атома, и протон, и альфа-частицы - это голые атомные ядра. Они занимают такое маленькое пространство по сравнению с атомами, что, несмотря на большую массу, их также можно считать субатомными частицами.

С открытием ядра атома вновь встал вопрос о неделимости атома. Ядро - сердце атома, оно окружено и защищено облаком электронов, и никакие химические превращения его не затрагивают. Именно эта неизменность ядра была причиной того, что все полученные до 90-х годов XIX в. экспериментальные данные говорили о неделимости атома.

Однако изменения одного типа атом испытывает и при обычных химических реакциях: с «поверхности» атома могут удалиться несколько электронов или же на этой «поверхности» могут разместиться несколько дополнительных электронов, хотя электронное облако как таковое может при этом сохраниться. Это открытие позволило окончательно решить проблему ионов, ставившую в тупик три поколения химиков.

Еще со времен Дальтона было известно, что разные атомы отличаются друг от друга массой, но чем обусловлено это различие? Как объяснить это различие, исходя из модели атома, предложенной Резерфордом? Ответить на этот вопрос помогло изучение рентгеновских лучей. Немецкий физик Маке Теодор Феликс Лауэ (1879-1960) в 1909 г. начал бомбардировать кристаллы рентгеновскими лучами. Благодаря этим экспериментам, признанными классическими, были установлены два существенных факта. Кристаллы состоят из атомов, образующих кристаллическую решетку, которая рассеивает рентгеновские лучи строго определенным образом. Теория рассеивания (или дифракции) рентгеновских лучей позволила связать длину волны рентгеновского излучения с параметрами элементарной ячейки кристалла.

Английский физик Чарльз Гловер Баркла (1877-1944) сделал следующий важный шаг. Он установил, что при рассеивании рентгеновских лучей различными элементами образуются пучки рентгеновских лучей, которые проникают в вещество на характеристические величины. Каждый элемент создает особый набор рентгеновских лучей. В трубке Крукса источником таких рентгеновских лучей становился под действием пучка катодных лучей антикатод (который изготавливали из различных металлов). Другой английский физик, Генри Гвин Джефрис Мозли (1887-1915), используя в качестве антикатода различные элементы, в 1913 г. установил, что чем больше атомная масса элемента, тем меньше длина волны образующихся рентгеновских лучей. Эта обратная зависимость, доказывал Мозли, связана с величиной положительного заряда ядра атома. Чем больше заряд, тем короче длина волны рентгеновских лучей.

Исходя из длины волны, можно вычислить заряд ядра атома любого элемента. Таким образом в итоге удалось показать, что заряд ядра водорода равен +1, гелия +2, лития +3 и так далее вплоть до урана [2], заряд ядра которого равен +92.

Величина заряда ядра получила название порядкового номера элемента, или атомного номера. Сразу же стало понятно, что, располагая элементы в порядке увеличения атомной массы, Менделеев по сути дела расположил элементы в порядке возрастания их атомных номеров. О тех двух случаях, когда он поместил атомы с большей массой впереди атомов с меньшей массой, поскольку эти атомы с меньшей массой тем не менее имеют больший порядковый номер, мы будем говорить особо.

На этом этапе, наконец, стало возможным заменить определение элемента, данное Бойлем. Согласно Бойлю, элемент - это вещество, которое нельзя разложить на более простые вещества, новое определение элемента звучит так: элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Впервые также стало возможным точно предсказать, сколько элементов еще осталось открыть. В 1913 г. все элементы с порядковыми номерами от 1 до 92 были уже открыты, кроме элементов с порядковыми номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. В 1917 г. был открыт протактиний (порядковый номер 91), в 1923 г. - гафний (порядковый номер 72), а в 1925 г. - рений (порядковый номер 75). В результате в периодической таблице оставались только четыре незаполненные клетки, соответствующие элементам с порядковыми номерами 43, 61, 85 и 87. Оставалось открыть только четыре элемента, но сделать это не удалось еще и в 30-е годы.

Поскольку протон - единственная положительно заряженная частица, обнаруженная в ядре, то порядковый номер элемента равен числу протонов ядра. В ядре алюминия, порядковый номер которого 13, должно содержаться 13 протонов, но так как его атомная масса равна 27, то в его ядре, как было установлено позднее, должно содержаться еще 14 нейтронов. Нейтроны изменяют массу ядра, но не влияют на его заряд. В ядре атома натрия, порядковый номер которого 11, атомная масса 23, должно содержаться 11 протонов и 12 нейтронов. (И протоны, и нейтроны находятся в ядре, поэтому их называют нуклонами [3].)

В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Это означает, что каждому протону в ядре соответствует электрон, расположенный на периферии атома. Следовательно, число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру. Так, в атоме водорода всего 1 электрон, в атоме натрия их 11, в атоме урана 92 и т. д. [4]



Электронные оболочки


Когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или соединяются вместе, обобществляя свои электроны, или же вновь расходятся после перераспределения электронов. Именно это обобществление или перераспределение электронов и вызывает изменение свойств веществ, наблюдаемое при проведении химических реакций.

Кропотливое и тщательное изучение рентгеновских лучей показало, что и обобществление, и перераспределение электронов подчиняется какому-то определенному порядку, и в результате была выдвинута следующая гипотеза. Окружающие ядро атома электроны подразделяются на определенные группы и образуют так называемые электронные оболочки. Ближайшая к ядру атома оболочка получила название К-оболочка, а последующие оболочки были названы соответственно L-оболочка, M-оболочка, N-оболочка и т. д. Согласно этой гипотезе, на ближайшей к ядру оболочке могут располагаться только два электрона, на следующей L-оболочке - восемь, на M-оболочке - восемнадцать и т. д., т. е. чем дальше оболочка удалена от ядра, тем больше электронов на ней может располагаться. Например, три электрона атома лития, одиннадцать электронов атома натрия и девятнадцать электронов атома калия распределяются по электронным оболочкам в следующем порядке: Li 2, 1; Na 2, 8, 1; K 2, 8, 8, 1.

У каждого атома щелочных металлов электроны распределяются таким образом, что внешнюю оболочку занимает только один электрон. Поскольку при столкновении атомов в контакт вступают именно внешние электронные оболочки, то следует ожидать, что число электронов на внешней оболочке и определяет химическую активность элемента. Элементы с аналогичными внешними электронными оболочками имеют сходные свойства, как, например, вышеупомянутые щелочные металлы.

Рассуждая таким образом, можно сказать, что щелочноземельные элементы (магний, кальций, стронций и барий) похожи друг на друга также по этой причине: у каждого из них на внешней оболочке по два электрона. На внешних оболочках атомов галогенов (фтора, хлора, брома и йода) по семь электронов, а на внешних оболочках инертных газов (неона, аргона, криптона и ксенона) - по восемь.

Составляя периодическую таблицу, Менделеев, разумеется, сам того не зная, расположил элементы в соответствии со строением электронных оболочек их атомов.

В более тяжелых атомах, в которых число электронов все растет и растет, увеличивается число электронов на внутренних оболочках, но на внешней оболочке число электронов остается постоянным. Так, например, порядковые номера редкоземельных элементов лежат в пределах от 57 до 71 включительно. И хотя по мере продвижения по периодической таблице мы наблюдаем увеличение числа электронов на внешней оболочке, все редкоземельные элементы имеют по три электрона на внешней оболочке. Это тождество внешних оболочек объясняет, почему элементы этой группы так неожиданно оказались похожи друг на друга по свойствам.

Когда Менделеев составлял периодическую таблицу, он исходил из валентности элементов, поскольку о распределении в них электронов в то время ему еще ничего не было известно. Теперь вполне разумно было предположить, что валентность элемента определяется его электронной структурой.

Немецкий химик Рихард Абегг (1869-1910) в 1904 г. указал, что электронная структура инертных газов должна быть особенно устойчивой. Атомы инертных газов не проявляют тенденции к уменьшению или увеличению числа электронов на внешних электронных оболочках и поэтому не участвуют в химических реакциях. Можно было сделать вывод, что электронные оболочки инертных газов наиболее устойчивы, а другие атомы могут отдавать или принимать электроны, пока их электронная структура не станет такой же, как у ближайшего инертного газа.

Одиннадцать электронов натрия располагаются в порядке 2, 8, 1, а семнадцать электронов хлора - в порядке 2, 8, 7. Если натрий отдаст, а хлор примет один электрон, то первый приобретет элект ронную структуру неона (2, 8), а второй - электронную структуру аргона (2, 8, 8). Атом натрия, отдав отрицательно заряженный электрон, превращается в положительно заряженный ион натрия. Атом хлора, получив электрон, превращается в отрицательно заряженный ион хлора. Противоположно заряженные ионы под действием электрического притяжения стремятся соединиться. Именно это и предполагал Берцелиус столетие назад.

Приведенные рассуждения объясняют, почему валентность натрия должна быть равна 1. Натрий не может отдать больше одного электрона без нарушения устойчивой электронной структуры 2, 8. Атом хлора по той же причине не может принять больше одного электрона. В то же время кальций (электронная структура 2, 8, 8, 2) стремится отдать два электрона, а кислород (электронная структура 2, 6) стремится принять два электрона. У обоих этих элементов валентность равна 2.

Между прочим, в результате такого перехода электронов и происходит перенос заряда, и поэтому-то химические реакции могут служить источником электрического тока, как это показал Вольта более столетия назад.

В свете новых представлений о строении атома эквивалентная масса равна атомной массе элемента, деленной на его валентность, или, иными словами, деленном на число отдаваемых или принимаемых электронов.

Однако Абегг рассматривал только полный переход электронов от одного атома к другому, приводящий к образованию разноименно заряженных атомов, которые затем удерживаются вместе под действием электростатического притяжения, другими словами, Абегг рассматривал электровалентность [5]. Два американских химика Джильберт Ньютон Льюис (1875-1946) и Ирвинг Ленгмюр (1881-1957) в период после 1916 г. независимо друг от друга расширили это понятие. Они, в частности, объяснили строение молекулы хлора. В молекуле хлора два атома хлора прочно связаны друг с другом. Никаких причин для перехода электрона от одного атома к другому, несомненно, не существует, и атомы хлора не могут удерживаться вместе под действием обычного электростатического притяжения. Теории межатомного притяжения Берцелиуса и Абегга не объясняют, как образуется такая молекула.

Льюис и Ленгмюр предположили, что в данном случае может происходить обобществление электронов: каждый атом «представляет в совместное пользование по одному электрону». Эти электроны остаются на внешних электронных оболочках обоих атомов. Следовательно, распределение электронов в молекуле хлора можно изобразить следующим образом: 2, 8, 611, 6, 8, 2 (11 - пара совместно используемых электронов, входящих в электронные оболочки каждого из атомов) В результате атом хлора, входящий в молекулу хлора, характеризуется более стабильным распределением электронов (2, 8, 8), чем у отдельного атома хлора (2, 8, 7). Именно по этой причине молекула хлора намного менее реакционноспособна, чем отдельные атомы хлора, которые быстро объединяются в двухатомную молекулу.

Для того чтобы обобществленные электроны оставались на внешних электронных оболочках атомов, эти атомы должны оставаться в контакте друг с другом. Чтобы оторвать один такой атом от другого, необходима значительная энергия. Каждый атом, который образует химическое соединение в результате обобществления пары электронов, обладает валентностью 1. Этот тип валентности получил наименование ковалентность.

Теория Льюиса - Ленгмюра позволяет объяснить, как образуются связи между атомами углерода или между атомами углерода и атомами водорода в органических соединениях. Большинство органических молекул можно легко представить электронными формулами, в которых прежние штрихи формул Кекуле - это обобществленные пары электронов.

Действительно, английскому химику Нэвилу Винсенту Седжвику (1873-1955) в 20-х годах XX в. удалось распространить понятие ковалентности на неорганические соединения. В частности, он использовал его для координационных соединений Вернера, к которым было трудно применить обычные представления Кекуле.

Все подобные химические изменения затрагивают только электроны; протоны центрального ядра во всех случаях (кроме одного) надежно защищены. Исключение составляет лишь водород, ядро которого состоит из одного протона. Если атом водорода ионизуется в результате удаления единственного его электрона, то протон остается незащищенным.

В 1923 г. датский химик Иоганнес Николаус Бренстед (1879-1947) предложил новое определение кислот и оснований. Кислота, по определению Бренстеда, - это соединение, стремящееся отдать протон (или ион водорода), тогда как основание - это соединение, стремящееся присоединить протон. Эта новая точка зрения не только обобщила известные факты, удовлетворительно трактовавшиеся на основе старых представлений, но и позволила значительно расширить понятие кислот и оснований и использовать его в новых областях.



Физическая органическая химия


Начиная со времен Лавуазье химики могли предсказывать, в каком направлении пойдут те или иные быстрые ионные реакции относительно небольших молекул, и могли модифицировать эти реакции с целью их практического использования. Изучать сложные молекулы было гораздо труднее. Медленные реакции органических соединений также гораздо труднее поддавались анализу. Часто реакции могли идти несколькими путями, и направить реакцию по нужному пути химику позволяли его мастерство экспериментатора и интуиция, а не глубокое понимание процесса.

С появлением электронной модели атома химики-органики смогли по-новому взглянуть на область своих исследований. В конце 20-х годов XX в. английский химик Кристофер Ингольд (1893-1970) и ряд других химиков попытались подойти к органическим реакциям с позиций теории строения атома, объясняя взаимодействие молекул переходом электронов. В органической химии начали интенсивно использоваться методы физической химии. Важной дисциплиной стала физическая органическая химия.

Однако попытки истолковать органические реакции только как результат перемещения электронов к особому успеху не привели.

В течение первой четверти XX в., с момента открытия электрона, считалось доказанным, что электрон представляет собой очень маленький жесткий шарик. Однако в 1923 г. французский физик Луи Виктор де Бройль (род. в 1892 г.) представил теоретическое обоснование того, что электроны (а также и все другие частицы) обладают волновыми свойствами. К концу 20-х годов XX в. эта гипотеза была подтверждена экспериментально.

Полинг (первым предположивший, что молекулы белков и нуклеиновых кислот имеют форму спирали) в начале 30-х годов разработал методы, позволившие при рассмотрении органических реакций учитывать волновую природу электронов.

Он предположил, что обобществление пары электронов (по Льюису и Ленгмюру) можно трактовать как взаимодействие волн или перекрывание электронных облаков. Химической связи, изображаемой в структурной теории Кекуле чертой, в новых представлениях соответствует область максимального перекрывания электронных облаков. При этом оказалось, что перекрывание электронных облаков иногда происходит не только в единственном направлении, изображаемом валентной связью в структурной формуле. Иначе говоря, истинную структуру молекулы нельзя представить даже приближенно никакой структурной формулой в отдельности. Ее можно, однако, рассматривать как промежуточную между несколькими гипотетическими структурами, как «резонансный гибрид» этих структур. Важно отметить, что энергия такой реальной молекулы ниже, чем можно было бы ожидать на основании любой отдельной резонансной «классической» структуры. Про такие молекулы говорят, что они «стабилизированы резонансом», хотя резонанс в данном случае, конечно, не реальное физическое явление, а удобная теоретическая концепция для объяснения устойчивости и свойств некоторых молекул.

Теория резонанса [6] оказалась особенно полезной для понимания строения бензола, еще со времен Кекуле приводившего химиков в замешательство. Формулу бензола обычно изображали в виде шестиугольника с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако бензол почти полностью лишен свойств, характерных для соединений с двойными связями [7].

Но для бензола можно написать вторую, совершенно равноценную формулу Кекуле, в которой простые и двойные связи поменяются местами по сравнению с первой формулой. Реальная молекула бензола описывается как резонансный гибрид двух структур Кекуле; электроны, ответственные за образование двойных связей, делокализованы, «размазаны» по кольцу, так что все связи между атомами углерода в бензоле равноценны и являются промежуточными между классическими одинарными и двойными связями. Именно в этом состоит причина повышенной стабильности и особенностей химического поведения бензола.

Кроме строения бензола представления о волновых свойствах электронов помогли объяснить и другие вопросы. Поскольку четыре электрона, находящиеся на внешней оболочке углеродного атома, энергетически не вполне эквивалентны, можно было бы допустить, что и связи, образующиеся между углеродным и соседними с ним атомами, несколько различаются в зависимости от того, какие из электронов участвуют в образовании той или иной связи.

Однако оказалось, что четыре электрона, подобно волнам, взаимодействуют друг с другом и образуют четыре «средние» связи, которые полностью эквивалентны и направлены к вершинам тетраэдра, как в тетраэдрическом атоме Вант-Гоффа - Ле Беля.

Одновременно резонанс помог объяснить строение группы необычных соединений, с которыми химики впервые столкнулись в начале XX в. В 1900 г. американский химик Мозес Гомберг (1866-1947) пытался получить гексафенилэтан - соединение, в молекуле которого два атома углерода соединены с шестью бензольными кольцами (по три на каждый атом углерода) [8].

Вместо этого соединения Гомберг получил окрашенный раствор какого-то весьма реакционноспособного соединения. По ряду причин Гомберг считал, что он получил трифенилметил - «полумолекулу», состоящую из углеродного атома и трех бензольных колец, в которой четвертая связь атома углерода ненасыщенна.

Это соединение напоминало один из тех радикалов, представление о которых было введено в XIX в. для объяснения строения органических соединений. Однако, в отличие от радикалов старой теории, обнаруженная Гомбергом молекула существовала в изолированном виде, а не как фрагмент другого соединения, поэтому она была названа свободным радикалом.

С развитием электронных представлений о химической связи стало ясно, что в свободных радикалах, например в трифенилметиле, ненасыщенной связи (в терминах теории Кекуле) в рамках новых представлений соответствует неспаренный электрон. Обычно такие молекулы с неспаренным электроном исключительно реакционноспособны и быстро превращаются в другие вещества.

Однако если молекула плоская и симметричная (как молекула трифенилметила), то неспаренный электрон может «размазаться» по всей молекуле, что приведет к стабилизации радикала.

Когда к изучению органических реакций подошли с позиций теории электронного строения, стало очевидно, что реакции часто включают стадию образования свободных радикалов. Такие свободные радикалы, как правило, не стабилизированные за счет резонанса существуют только непродолжительное время и образуются всегда с трудом. Именно из-за сложности образования промежуточных свободных радикалов большинство органических реакций протекают так медленно.

Во второй четверти XX в. химики-органики стали все глубже проникать в суть органических реакций, и изучив механизм реакций, постигнув само существо процесса, смогли синтезировать такие молекулы, сложность которых поражала химиков более ранних поколений.

Однако представления теории резонанса применимы не только в органической химии. Основываясь на старых представлениях, нельзя, в частности, четко объяснить строение молекул бороводородов. У атома бора слишком мало валентных электронов, чтобы образовалось требуемое число связей. Если же принять, что электроны соответствующим образом «размазаны», то можно предложить приемлемую структуру молекул.

Хотя с момента открытия инертных газов считалось, что они ни в какие реакции не вступают, в 1932 г. Полинг высказал предположение, что атомы этих газов должны образовывать связи.

Первоначально это предположение Полинга прошло незамеченным, но в 1962 г. в результате реакции инертного газа ксенона с фтором был получен фторид ксенона. Вскоре вслед за ним был получен ряд других соединений ксенона с фтором и кислородом, а также соединения радона и криптона [9].



Период полураспада


Изучение строения атома привело к новому пониманию проблемы, но одновременно перед учеными встал ряд новых вопросов.

В 1900 г. Крукс обнаружил, что свежеприготовленные соединения чистого урана обладают только очень незначительной радиоактивностью и что с течением времени радиоактивность этих соединений усиливается. К 1902 г. Резерфорд и его сотрудник английский химик Фредерик Содди (1877-1956) [10] высказали предположение, что с испусканием альфа-частицы природа атома урана меняется и что образовавшийся новый атом дает более сильное излучение, чем сам уран (таким образом, здесь учитывалось наблюдение Крукса). Этот второй атом в свою очередь также расщепляется, образуя еще один атом. Действительно, атом урана порождает целую серию радиоактивных элементов - радиоактивный ряд, включающий радий и полоний и заканчивающийся свинцом, который не является радиоактивным. Именно по этой причине радий, полоний и другие редкие радиоактивные элементы можно найти в урановых минералах. Второй радиоактивный ряд также начинается с урана, тогда как третий радиоактивный ряд начинается с тория.

Уместно спросить, почему радиоактивные элементы, постоянно распадаясь, все же продолжают существовать? В 1904 г. этот вопрос разрешил Резерфорд. Изучая скорость радиоактивного распада, он показал, что после определенного периода, различного для разных элементов, распадается половина данного количества того или иного радиоактивного элемента. Этот период, характерный для каждого отдельного типа радиоактивного вещества, Резерфорд назвал периодом полураспада.

Период полураспада радия составляет, например, немногим менее 1600 лет. На протяжении геологических эпох любое количество радия в земной коре, конечно же, давно бы исчезло, если бы оно постоянно не пополнялось в результате распада урана. То же самое можно сказать и о других продуктах распада урана, в том числе и о таких, период полураспада которых измеряется долями секунды.

Период полураспада самого урана составляет 4 500 000 000 лет. Это громадный период времени, и за всю историю Земли распасться могла лишь часть первоначальных запасов урана. Торий распадается еще медленнее: его период полураспада составляет 14 000 000 000 лет.

Такие огромные промежутки времени можно определить только путем подсчета числа альфа-частиц, испускаемых данной массой урана (или тория). Резерфорд подсчитывал альфа-частицы, регистрируя небольшие вспышки, возникающие при соударении альфа-частиц с экраном из сульфида цинка (т. е. при помощи так называемого сцинтилляционного счетчика).

Появление каждой новой альфа-частицы означало, что распался еще один атом урана, так что Резерфорд мог определить, сколько атомов распадается в секунду. Исходя из используемой им массы урана, Резерфорд определил общее число атомов урана. Располагая такими данными, было уже нетрудно рассчитать время, необходимое для распада половины имеющегося количества урана. Как выяснилось, речь идет о миллиардах лет.

Распад урана - настолько постоянный и характерный процесс, что его можно использовать для определения возраста Земли. В 1907 г. американский химик Бертрам Борден Болтвуд (1870-1927) предположил, что при такого рода определениях можно руководствоваться содержанием свинца в урановых минералах. Если предположить, что весь свинец в минералах появился в результате распада урана, то легко вычислить, сколько на это потребовалось времени. С помощью этого метода удалось определить, что возраст твердой земной коры исчисляется по крайней мере четырьмя миллиардами лет.

Тем временем Содди продолжал описывать изменения атома, вызываемые отдачей им субатомных частиц. Если атом теряет альфа-частицу (заряд +2), общий заряд его ядра уменьшается на два и элемент перемещается в периодической таблице на две клетки влево.

Если атом теряет бета-частицу (электрон с зарядом -1), то ядро приобретает дополнительный положительный заряд [11] и элемент перемещается в периодической таблице на одну клетку вправо. Если атом испускает гамма-лучи (незаряженные), то запас энергии при этом меняется, но состав частиц не затрагивается, так что он остается тем же самым элементом.

Руководствуясь этими правилами, химики смогли обстоятельно изучить многие радиоактивные ряды.


Изображение
Период полураспада радона определяют, измеряя через равные промежутки времени количество оставшегося вещества. Полученная зависимость представляет собой «затухающую» экспоненциальную кривую у=е-ах.


Изотопы


С открытием радиоактивных элементов перед учеными встала серьезная проблема: что делать с различными продуктами распада урана и тория? Их открывали десятками, а в периодической таблице оставалось максимум только девять мест (от полония с порядковым номером 84 до урана с порядковым номером 92), на которые их можно было бы поместить.

Так, атом урана (порядковый номер 92) испускает альфа-частицу. Порядковый номер нового элемента, согласно правилу Содди, 90. Это означает, что атом урана должен образовать атом тория. Однако период полураспада обычного тория измеряется 14 миллиардами лет, тогда как период полураспада тория, полученного из урана, составляет всего 24 дня.

Различия наблюдаются даже при получении нерадиоактивных элементов. Например, Ричардсу (специалисту по атомным массам) в 1913 г. удалось показать, что атомная масса свинца, полученного в результате распада урана, несколько отличается от атомной массы обычного свинца.

У Содди хватило решимости предположить, что одному и тому же месту в периодической таблице может соответствовать более одного вида атомов. Место номер 90 могут занимать различные разновидности тория, место номер 82 - различные разновидности свинца и т. д. Содди назвал эти разновидности атомов, занимающие одно и то же место в таблице, изотопами (от греческого topos - место).

Изотопы, занимающие одно и то же место таблицы, должны иметь один и тот же порядковый номер и, следовательно, одно и то же число протонов в ядре и одно и то же число электронов на оболочках. Изотопы элемента должны обладать одинаковыми химическими свойствами, так как эти свойства зависят от числа и расположения в атомах электронов.

Но как в таком случае объяснить различие в радиоактивных свойствах и в атомных массах?

В прошлом веке Праут выдвинул свою знаменитую гипотезу, согласно которой все атомы составлены из водорода, так что все элементы должны иметь целочисленные атомные массы. Однако, как выяснилось, большинство атомных масс являются нецелочисленными, и этот факт, казалось, опровергал гипотезу.

Но, согласно новым представлениям о строении атома, атом имеет ядро, состоящее из протонов (и нейтронов). Протоны и нейтроны примерно равны по массе, и, следовательно, массы всех атомов должны быть кратными массе атома водорода (состоящего из одного протона). Гипотеза Праута возродилась, зато вновь возникли сомнения относительно того, какими должны быть атомные массы.

В 1912 г. Дж. Дж. Томсон (который, как мы уже говорили выше, открыл электрон) подверг лучи положительно заряженных ионов неона воздействию магнитного поля. Магнитное поле заставляло ионы отклоняться, и в результате этого они попадали на фотопластинку. Если бы все ионы были одинаковыми по массе, то они все отклонились бы магнитным полем на один и тот же угол, и на фотопленке появилось бы обесцвеченное пятно. Однако в результате этого эксперимента Томсон получил два пятна, одно из которых было примерно в десять раз темнее другого. Сотрудник Томсона Фрэнсис Уильям Астон (1877-1945), усовершенствовавший позднее этот прибор, подтвердил правильность полученных данных. Аналогичные результаты были получены и для других элементов. Этот прибор, позволявший разделять химически подобные ионы на пучки ионов с разной массой, получил название масс-спектрографа.

Величина отклонения одинаково заряженных ионов в магнитном поле зависит от массы этих ионов; ионы с большей массой отклоняются меньше, и наоборот. Таким образом, опыты Томсона и Астона показали, что существуют два вида атомов неона. У одного типа атомов массовое число равно 20, у другого - 22. В результате определения относительной черноты пятен было установлено, что содержание неона-20 в 10 раз больше, чем неона-22. Позднее было обнаружено также наличие небольшого количества неона-21. Если, рассчитывая атомную массу неона, исходить из этих данных, то окажется, что она равна примерно 20.2.

Другими словами, масса отдельных атомов представляет собой целое число, кратное массе атома водорода [12], но атомная масса отдельного элемента - это среднее атомных масс составляющих его атомов, и поэтому она может и не быть целым числом.

Средняя атомная масса элемента с большим числом изотопов в некоторых случаях может оказаться больше, чем средняя атомная масса элемента с более высоким порядковым номером. Например, у теллура, порядковый номер которого 52, насчитывается семь изотопов. Из них два самых тяжелых изотопа - теллур-126 и теллур-128 - являются наиболее распространенными. Следовательно, атомная масса теллура приближается к 127.6. Порядковый номер йода 53, т. е. на единицу больше, чем у теллура. Но у йода только один изотоп - йод-127, и, следовательно, его атомная масса 127. Когда Менделеев в своей периодической таблице поместил йод за теллуром и тем нарушил порядок, диктуемый атомной массой, он, не зная этого, следовал зарядам ядер, т. е. физической сущности периодического закона.

Приведем еще один подобный пример. У калия (порядковый номер 19) три изотопа - калий-39, калий-40 и калий-41, но наиболее распространен самый легкий изотоп - калий-39. В результате атомная масса калия 39.1. Порядковый номер аргона 18, и у него также три изотопа - аргон-36, аргон-38 и аргон-40, однако наиболее распространен самый тяжелый изотоп - аргон-40. В результате атомная масса аргона равна примерно 40.

Пользуясь масс-спектрографом, можно измерять массы отдельных изотопов и определять содержание этих изотопов. Получив же такие данные, можно рассчитать усредненную атомную массу элемента. Точность такого метода определения атомной массы намного выше, чем у химических методов.

Различные изотопы данного элемента имеют одинаковые заряды ядер, но разные массовые числа. Следовательно, в ядрах различных изотопов содержится одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. У неона-20, неона-21 и неона-22 по 10 протонов в ядре, порядковый номер всех этих изотопов 10, и электроны распределены по оболочкам так: 2, 8. Однако в ядре неона-20 содержится 10 протонов плюс 10 нейтронов, в ядре неона-21 - 10 протонов плюс 11 нейтронов, а в ядре неона-22 -10 протонов плюс 12 нейтронов.

Большинство элементов (но не все) содержат изотопы. В 1935 г. американский физик Артур Джеффри Демпстер (1886-1950) установил, например, что природный уран, атомная масса которого (238.07) весьма близка целому числу, представляет собой смесь двух изотопов. Один из изотопов содержится в преобладающем (99.3%) количестве. Ядра этого изотопа состоят из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. общее массовое число равно 238. Это уран-238. Содержание другого изотопа, урана-235, составляет всего 0.7%; в ядре этого изотопа на три нейтрона меньше.

Поскольку радиоактивные свойства зависят от строения атомного ядра, а не от электронного окружения, изотопы одного элемента могут иметь похожие химические свойства и совершенно различную радиоактивность. В то время как период полураспада урана-238 равен 4 500 000 000 лет, период полураспада урана-235 составляет только 700 000 000 лет [13]. Оба эти элемента - первые элементы двух отдельных радиоактивных рядов.

Существовали теоретические предпосылки, позволяющие предположить, что и водород - простейший из элементов - также может иметь пару изотопов. Ядра обычных атомов водорода состоят из одного протона, т. е. обычный водород - это водород-1. В 1931 г. американский химик Гарольд Клэйтон Юри (1893-1980) предположил, что более тяжелый изотоп водорода, если он существует, должен кипеть при более высокой температуре, испаряться более медленно, накапливаясь в остатке.

Пытаясь обнаружить этот более тяжелый изотоп водорода, Юри начал медленно выпаривать четыре литра жидкого водорода. И в последнем кубическом сантиметре водорода Юри действительно нашел несомненные признаки присутствия водорода-2 - изотопа, ядро которого содержит один протон и один нейтрон. Водород-2 был назван дейтерием.

Не составил исключения и кислород. В 1929 г. американскому химику Уильямсу Фрэнсису Джиоку (род. в 1895 г.) удалось показать, что кислород имеет три изотопа. Наиболее распространен кислород-16, на его долю приходится около 99.8% всех атомов. В ядре кислорода-16 8 протонов и 8 нейтронов. В ядре кислорода-18, второго по распространенности изотопа, 8 протонов и 10 нейтронов, в ядре кислорода-17, который обнаружен лишь в следовых количествах, 8 протонов и 9 нейтронов.

Это создало проблему. Еще со времен Берцелиуса атомные массы элементов рассчитывались при допущении, что атомная масса кислорода равна 16.0000. Но атомная масса кислорода могла быть только рассчитанной средней атомной массой трех изотопов, а соотношение изотопов кислорода могло от образца к образцу сильно меняться.

Физики начали определять атомные массы исходя из атомной массы кислорода-16, равной 16.0000. В результате был получен ряд величин (физическая атомная масса), которые на очень небольшую постоянную величину превышали те величины, которыми пользовались и которые постепенно уточняли на протяжении всего XIX в. (химические атомные веса).

В 1961 г. международные организации как химиков, так и физиков согласились принять за стандарт атомную массу углерода-12, приняв ее равной точно 12.0000. Атомные массы элементов, рассчитанные с учетом нового стандарта, почти точно совпадают со старыми химическими атомными весами, и, кроме того, новый стандарт связан только с одним изотопом, а не плеядой изотопов.



____________________

[1] См.: Трифонов Д. Н., Кривомазов А. Н., Лисневский Ю. И. Учение о периодичности и учение о радиоактивности. Комментированная хронология важнейших событий. - М.: Атомиздат, 1974.

[2] Эти значения основаны на допущении, согласно которому заряд протона произвольно установлен +1, а заряд электрона равен -1.

[3] От латинского nucleus - ядро.

[4] Положительные ионы образуются в результате потери электронов, а отрицательные ионы - в результате присоединения электронов. Следовательно, у иона натрия меньше электронов, чем у атома натрия, а у иона хлора их больше, чем у атома хлора.

[5] См.: Развитие учения о валентности. Сб. под ред. В. И. Кузнецова. - М.: Химия, 1977, 248 с.

[6] Здесь и далее автор чрезмерно преувеличивает роль концепции резонанса, не упоминая о ее недостатках. Критический анализ теории резонанса см.: Реутов О. А. Теоретические основы органической химии, изд. МГУ, 1964, стр. 94-98, а также Хюккель В. Химическая связь. Пер. с англ. - М.: ИЛ, 1959.

[7] Об историческом значении теории резонанса см.: Быков Г. В. История органической химии. Структурная теория. Физическая органическая химия. Расчетные методы. - М.: Химия, 1976, 360 с.

[8] См.: Кошкин Л. В., Мусабеков Ю. С. Возникновение и развитие представлений об органических свободных радикалах. - М.: Наука, 1967, 216 с.

[9] См.: Кривомазов А. Н. Фредерик Содди. 1877-1956. - М.: Наука, 1978, 208 с.

[10] См. также кн.: Быков Г. В. История электронных теорий органической химии. - М.: Изд-во АН СССР, 1963, 423 с.

[11] Во времена Содди считали, что в ядре имеются электроны и потеря ядром бета-частицы оставляет неуравновешенным дополнительный протон и, следовательно увеличивает положительный заряд. В настоящее время принято считать, что ядро содержит только протоны и нейтроны. Электрон же образуется и выталкивается, когда нейтрон преобразуется в протон, так как увеличение положительного заряда эквивалентно потере путем выбрасывания отрицательного заряда.

[12] В действительности масса атома не совсем кратна массе атома водорода. Небольшие отклонения в массе не имеют значения для химии, но имеют отношение к той огромной энергии, заключенной в ядрах, которая позволила создать атомную бомбу и перейти к атомной энергетике.

[13] Этими же причинами объясняется также различие в периодах полураспада природного тория (торий-232) и тория, полученного в результате распада урана (торий-234), о котором говорилось в начале главы.



http://chemistry-che...2012-U1-13.html
Изображение

#3 Triff11

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 8 206 сообщений
  • LocationЛатвия. Рига

Отправлено 16 Февраль 2012 - 01:23

Ядерные реакции


Новые превращения


После того как стало очевидно, что атом состоит из более мелких частиц, которые произвольно перегруппировываются при радиоактивных преобразованиях, следующий шаг казался почти предопределенным.

Человек научился с помощью обычных химических реакций по своему усмотрению перестраивать молекулы. Почему бы не попытаться перестраивать ядра атомов, используя ядерные реакции? Протоны и нейтроны связаны гораздо прочнее, чем атомы в молекуле, и обычные методы, используемые для проведения обычных химических реакций, естественно, к успеху не приведут. Но ведь можно попытаться разработать новые методы.

Первый шаг в этом направлении был сделан Резерфордом [1]; он бомбардировал различные газы альфа-частицами и обнаружил, что каждый раз, когда альфа-частица ударяет в ядро атома, она нарушает его структуру.

В 1919 г. Резерфорд уже смог показать, что альфа-частицы могут выбивать протоны из ядер азота и объединяться с тем, что останется от ядра. Наиболее распространенным изотопом азота является азот-14, в ядре которого содержится 7 протонов и 7 нейтронов. Если из этого ядра выбить протон и добавить 2 протона и 2 нейтрона альфа-частицы, то получится ядро с 8 протонами и 9 нейтронами, т. е. ядро кислорода-17. Альфа-частицу можно рассматривать как гелий-4, а протон - как водород-1. Таким образом, Резерфорд первым успешно провел искусственную ядерную реакцию:




Азот-14 + гелий-4 → кислород-17 + водород-1


Преобразовав один элемент в другой, он осуществил трансмутацию. Так, в XX в. осуществилась самая заветная мечта алхимиков.

В последующие пять лет Резерфорд провел серию других ядерных реакций с использованием альфа-частиц. Однако возможности его были ограничены, поскольку радиоактивные элементы давали альфа-частицы только со средней энергией. Необходимы были частицы с гораздо большими энергиями.

Физики принялись за создание устройств, предназначенных для ускорения заряженных частиц в электрическом поле. Заставив частицы двигаться с ускорением, можно было повысить их энергию. Английский физик Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967) совместно со своим сотрудником ирландским физиком Эрнестом Томасом Синтоном Уолтоном (род. в 1903 г.) первыми разработали идею ускорителя, позволявшего получать частицы с энергией, достаточной для осуществления ядерной реакции. В 1929 г. такой ускоритель был построен. Спустя три года эти же физики бомбардировали атомы лития ускоренными протонами и получили альфа-частицы. Эту ядерную реакцию можно записать следующим образом:




Водород-1 + литий-7 → гелий-4 + гелий-4


В ускорителе Кокрофта - Уолтона и ряде других подобных ускорителей частицы перемещались по прямолинейной траектории. Получить в таком ускорителе частицы с высокой энергией можно было только при достаточной длине пути частиц, поэтому ускорители такого типа были чрезвычайно громоздки. В 1930 г. американский физик Эрнест Орландо Лоуренс (1901-1958) предложил ускоритель, в котором частицы двигались по слабо расходящейся спирали. Этот относительно небольшой циклотрон мог давать частицы с крайне высокой энергией.

Первый очень маленький циклотрон Лоуренса является предшественником современных гигантских установок в полкилометра в окружности, которые используются в поисках ответов на сложнейшие вопросы, связанные со строением материи.

В 1930 г. английский физик Пауль Адриен Моррис Дирак (род. в 1902 г.) теоретически обосновал предположение о том, что и протоны и электроны должны иметь свои античастицы. Антиэлектрон должен обладать массой электрона, но должен быть заряжен положительно, антипротон должен обладать массой протона, но быть заряжен отрицательно.

Антиэлектрон был обнаружен в 1932 г. американским физиком Карлом Дэвидом Андерсоном (род. в 1905 г.) во время исследования космических лучей [2]. Когда космические лучи сталкиваются с ядрами атомов в атмосфере, то при этом образуются частицы, которые отклоняются в магнитном поле на такой же угол, что и электроны, но в противоположном направлении. Частицы такого рода Андерсон назвал позитронами.

Антипротон не удавалось обнаружить еще в течение четверти столетия. Поскольку масса антипротона в 1836 раз больше массы антиэлектрона, то для образования антипротона требуется в 1836 раз больше энергии, и поэтому до 50-х годов XX в. это превращение было неосуществимо. В 1955 г. американским физикам Эмилио Сегре (род. в 1905 г.) и Оуэну Чемберлену (род. в 1920 г.) удалось, используя мощные ускорители, получить и обнаружить антипротон.

Было установлено, что могут существовать такие своеобразные атомы, у которых отрицательно заряженные ядра, содержащие антипротоны, окружены положительно заряженными позитронами. Естественно, что такое антивещество не может долго существовать ни на Земле, ни, вероятно, даже в пределах нашей Галактики, поскольку при контакте вещества с антивеществом они аннигилируют (уничтожаются), высвобождая огромное количество энергии. И все-таки астрономы задаются вопросом, не могут ли существовать Галактики, построенные из антивещества? Если такое возможно, то обнаружить такие Галактики будет очень трудно.


Изображение
Схема опыта Резерфорда. Испускаемые альфа-частицы отклоняются при прохождении через золотую фольгу; величина отклонения фиксируется при соударении частиц с флуоресцентным экраном.



Искусственная радиоактивность


В результате успешного проведения первых ядерных реакций были получены уже известные, встречающиеся в природе изотопы. Однако полученные таким образом нейтронно-протонные комбинации могли отличаться от комбинаций, характерных для природных изотопов. Ведь первые органические молекулы, синтезированные химиками, отличались от молекул природных соединений. Нейтронно-протонные комбинации нового типа были получены в 1934 г. французскими физиками супругами Фредериком Жолио-Кюри (1900-1958) и Ирен Жолио-Кюри (1897-1956) (дочь известных физиков супругов Кюри, прославившихся открытием радия).

Супруги Жолио-Кюри бомбардировали алюминий альфа-частицами, и при этом выяснили, что алюминий продолжает испускать частицы и после окончания бомбардировки. В результате проведенных исследований были открыты алюминий-27 (13 протонов плюс 14 нейтронов) и фосфор-30 (15 протонов плюс 15 нейтронов).

Но фосфор, встречающийся в природе, имеет только одну разновидность атомов - фосфор-31 (15 протонов плюс 16 нейтронов), следовательно, фосфор-30 - искусственный изотоп. Причина, по которой этот изотоп не встречается в природе, очевидна: период полураспада фосфора-31 составляет всего 14 дней. Излучение именно этого изотопа и наблюдали супруги Жолио-Кюри.

Супруги Жолио-Кюри первыми открыли явление искусственной радиоактивности. К настоящему времени получено более тысячи радиоактивных изотопов, не встречающихся в природе. У каждого элемента имеется один или несколько радиоактивных изотопов. Один радиоактивный изотоп имеется даже у водорода; период полураспада водорода-3, называемого также тритием, составляет 12 лет.

В 1940 г. американский химик Мартин Д. Камен (род. в 1913 г.) открыл необычный радиоактивный изотоп углерода - углерод-14. Некоторое количество этого изотопа образуется в атмосфере в результате бомбардировки азота космическими лучами. Это означает, что все живые существа, в том числе и мы, постоянно вдыхаем некоторое количество углерода-14, который потом попадает в ткани. Американский химик Уиллард Фрэнк Либби (род. в 1908 г.) предложил определять возраст археологических находок, исходя из содержания углерода-14. Аналогичный метод используется при определении возраста земной коры: его определяют, исходя из содержания урана и свинца. Таким образом, химия пришла на помощь историкам и археологам.

Осуществляя синтез химических веществ, можно часть обычных изотопов заменить на редкие стабильные изотопы. Например, водород-1 можно заменить на водород-2, углерод-12 - на углерод-13, азот-14 - на азот-15, а кислород-16 - на кислород-18. С помощью таких меченых соединений можно изучать механизмы реакций, происходящих в живых тканях. Новатором в такого рода работе был американский биохимик Рудольф Шонхеймер (1898-1941), который, используя водород-2 и азот-15, провел важные исследования жиров и белков. После окончания второй мировой войны такие изотопы стали более доступны, что позволило провести более тщательное изучение механизмов реакций. Примером того, какую роль могут сыграть изотопы, служит работа американского биохимика Мелвина Келвина (род. в 1911 г.). В 50-х годах XX в. он применил углерод-14 для изучения механизма реакций фотосинтеза. Работу эту Келвин проделал с такой обстоятельностью, которая всего лишь двадцать лет назад считалась совершенно невозможной.

Вслед за искусственными изотопами физикам удалось получить и искусственные элементы. В 1937 г. изобретатель циклотрона Лоуренс провел бомбардировку образца молибдена (порядковый номер 42) дейтронами (ядра водорода-2), после чего отправил этот образец Сегре в Рим (Позднее Сегре переехал в США и уже там открыл антипротон.) Сегре тщательно изучил образец и обнаружил, что он содержит следы нового радиоактивного вещества - как впоследствии выяснилось, элемента с порядковым номером 43. К этому времени элемент еще не был открыт в природе (несмотря на несколько не подтвердившихся известий), и поэтому его назвали технецием (от греческого - искусственный).

Со временем были заполнены три оставшихся в периодической таблице пробела. В 1939 и 1940 гг. были открыты элементы номер 87 (франций) и номер 85 (астат), а в 1947 г. - элемент номер 61 (прометий). Все эти элементы радиоактивны.

Астат и франций образуются из урана в очень малых количествах; по-видимому, именно по этой причине их не удалось открыть раньше. Технеций и прометий образуются в еще меньших количествах. Это единственные элементы с порядковыми номерами меньше 84, не имеющие стабильных изотопов.



Трансурановые элементы


Вначале бомбардировка атомных ядер велась положительно заряженными частицами: протонами, дейтронами и альфа-частицами. Поскольку одноименно заряженные частицы отталкиваются, то положительно заряженные ядра атомов отталкивают положительно заряженные частицы, и заставить движущиеся с большей скоростью частицы преодолеть отталкивание и столкнуться с ядром, весьма сложно, так что ядерные реакции трудно осуществимы.

С открытием нейтрона у химиков появились новые возможности. Нейтроны представляют собой незаряженные частицы, и атомные ядра их не отталкивают. Направив нейтрон в нужном направлении, его легко можно заставить столкнуться с ядром.

Итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) первым обстоятельно изучил бомбардировку нейтронами. Свою работу он начал почти сразу же, как только узнал об открытии нейтрона. Он обнаружил, что пучок нейтронов инициирует ядерные реакции особенно эффективно, если он проходит через воду или парафин. Легкие атомы этих веществ при каждом столкновении поглощают некоторое количество энергии нейтронов, но самих нейтронов при этом не поглощают. Следовательно, нейтроны замедляются настолько, что в конечном итоге движутся со скоростью обычных молекул, находящихся при комнатной температуре. Такие тепловые нейтроны находятся вблизи отдельных ядер в течение секунды или немногим более, следовательно, вероятность того, что ядро поглотит нейтрон, в этом случае выше, чем при бомбардировке быстрыми нейтронами.

Когда атомное ядро поглощает нейтрон, оно необязательно становится новым элементом; при этом может образоваться просто более тяжелый изотоп. Так, если кислород-16 приобретает нейтрон (массовое число 1), то он становится кислородом-17. Однако, присоединяя нейтрон, элемент может превратиться в радиоактивный изотоп. В этом случае элемент обычно распадается с излучением бета-частицы, а согласно правилу Содди, это означает, что он становится элементом, занимающим более высокое место в периодической таблице. Таким образом, если кислород-18 получает нейтрон, то он превращается в радиоактивный кислород-19. Этот изотоп излучает бета-частицу и становится стабильным фтором-19. Таким образом, бомбардируя кислород нейтронами, его можно превратить во фтор.

В 1934 г. Ферми занялся бомбардировкой урана нейтронами с тем, чтобы узнать, нельзя ли получить атомы с большей массой, чем уран (трансурановые элементы) [3]. В то время у урана был наибольший порядковый номер в периодической таблице, но возможно, что у элементов с большими порядковыми номерами слишком короткий период полураспада.

Сначала Ферми действительно подумал, что он синтезировал элемент с номером 93, но результаты эксперимента оказались очень запутанными и привели к еще более драматическому повороту, что будет описано чуть позднее. Именно эти разработки отвлекли на несколько лет внимание ученых от изучения возможностей получения трансурановых элементов.

В 1940 г. американский физик Эдвин Маттисон Макмиллан (род. в 1907 г.) и его коллега химик Филипп Ходж Эйблсон (род. в 1913 г.), проводя нейтронную бомбардировку урана, действительно обнаружили новый тип атома - атом с порядковым номером 93, который они назвали нептунием. Период полураспада даже наиболее долгоживущего изотопа нептуния-237 составляет немногим более двух миллионов лет, т. е. содержавшийся когда-то в земной коре нептуний должен уже давно распасться. Нептуний-237 - первый элемент четвертого радиоактивного ряда.

Затем, в 1941 г., Макмиллан и американский физик Гленн Теодор Сиборг (род. в 1912 г.) получили и идентифицировали плутоний - элемент с порядковым номером 94. Группа ученых Калифорнийского университета, возглавляемая Сиборгом, на протяжении последующих десяти лет выделила более полудюжины элементов, в том числе америций (номер 95), кюрий (номер 96), берклий (номер 97), калифорний (номер 98), эйнштейний (номер 99) и фермий (номер 100).

Однако получать каждый следующий элемент становилось все труднее и труднее, и выделить его удавалось все в меньших и меньших количествах. Более того, период полураспада каждого последующего элемента оказывался короче, чем у предыдущего, так что каждый новый элемент после получения все быстрее и быстрее распадался. Несмотря на это в 1955 г. был получен менделевий (номер 101), в 1957 г. - нобелий (номер 102), в 1961 г. - лоуренсий (номер 103). В 1964 г. советские физики сообщили о получении (микроколичеств) элемента с порядковым номером 104 [4].

Сиборг и его группа установили, что трансурановые элементы похожи друг на друга, как похожи друг на друга редкоземельные элементы. Объясняется это сходство теми же самыми причинами: новые электроны размещаются на внутренних электронных оболочках, а внешняя электронная оболочка с тремя электронами остается неизменной. Первый ряд элементов, начинающийся с лантана (порядковый номер 57), получил название ряда лантаноидов, а более новый, начинающийся с актиния (порядковый номер 89) - рядом актиноидов.

С открытием лоуренсия были получены все актиноиды. Предполагалось, что элемент с порядковым номером 104 будет значительно отличаться по химическим свойствам от актиноидов.



Ядерная бомба


Вернемся теперь к работе Ферми по бомбардировке урана нейтронами. Предположение о том, что в результате бомбардировки получен элемент с порядковым номером 93, в то время подтвердить не удалось, так как попытки выделить этот элемент успехом не увенчались.

Среди ученых, занимавшихся изучением результатов такой бомбардировки, были Ган и Мейтнер, открывшие двадцать лет назад протактиний. Эти исследователи обработали барием бомбардированный уран, в результате в осадок выпала какая-то фракция сильно радиоактивного вещества. Эта реакция заставила Гана и Мейтнер усомниться в том, что одним из продуктов бомбардировки был радий: элемент по своим химическим свойствам очень был похож на барий, и можно было ожидать, что радий сопровождает барий в любых химических превращениях. И тем не менее из этих барийсодержащих фракций получить радий не удалось.

Примерно в 1938 г. Ган предположил, что полученная фракция может быть радиоактивным изотопом самого бария, образовавшимся из урана. Такой радиоактивный барий может соединиться с обычным барием, и разделить их обычными химическими способами невозможно. Однако образование такого соединения представлялось весьма сомнительным. Все ядерные реакции, известные к 1938 г., приводили к изменению порядковых номеров элементов только на 1 и 2 единицы. Переход от урана к барию означал, что порядковый номер элемента уменьшился на 36 единиц. Это могло произойти только в том случае, если бы атом урана разделился примерно пополам (расщепление ядра атома урана). Ган не решался - по крайней мере публично - даже обсуждать возможность такого расщепления.

В 1938 г. нацистская Германия вторглась в Австрию и аннексировала ее. Австрийская гражданка Лизе Мейтнер вынуждена была эмигрировать в Швецию. В свете пережитого последствия возможной научной ошибки представлялись ей столь малозначащими, что она опубликовала теорию Гана о том, что атомные ядра урана при бомбардировке нейтронами подвергаются расщеплению.

Эта статья вызвала большой переполох, так как ученые сразу поняли, к каким ужасным последствиям может привести это явление. Если атом урана после поглощения нейтрона распадается на два меньших атома, в ядрах которых меньше нейтронов, чем в ядре атома урана [5], то избыточные нейтроны должны излучаться, и если их поглотят другие атомы урана, то они в свою очередь также разделятся, что приведет к излучению еще большего числа нейтронов.

Расщепление одного атома урана приведет к расщеплению нескольких атомов. Результат цепной ядерной реакции окажется подобен результату обычной химической цепной реакции, например реакции водорода и хлора. Однако поскольку ядерные реакции связаны с обменом гораздо большими энергиями, чем химические реакции, то результаты ядерной цепной реакции окажутся несравнимо более мощными.

Мир стоял на пороге второй мировой войны. Правительство США, понимая, что смертоносная энергия атомных ядер может быть использована нацистами, приступило к реализации исследовательской программы создания цепной ядерной реакции и получения ядерного оружия.

Трудностей оказалось очень много. Прежде всего выяснилось, что цепная ядерная реакция возможна лишь при наличии некоторой довольно большой массы урана - так называемой критической массы. К моменту же начала работ ученые располагали незначительным количеством урана, так как до 1940 г. уран как таковой почти не применялся. Кроме того, нейтроны необходимо было замедлять с тем, чтобы вероятность их поглощения ураном увеличилась. В качестве таких замедлителей, как выяснилось, можно использовать блоки графита или тяжелую воду (воду, в которой водород заменен на дейтерий).

Другая трудность заключалась в том, что не каждый атом урана, поглотивший нейтрон, претерпевает ядерное расщепление. Ядерному расщеплению подвергается довольно редкий изотоп - уран-235. Поэтому необходимо было разработать способы отделения и накопления данного изотопа. Это была беспрецедентная задача: разделение изотопов в таких больших масштабах никогда ранее не проводилось. Исследования показали, что в этих целях можно использовать гексафторид урана, поэтому одновременно требовалось отрабатывать методику работы с соединениями фтора. После открытия плутония, который, как выяснилось, также подвергается ядерному расщеплению, было налажено производство его в больших количествах.

Возглавлял всю эту работу Ферми, который в 1938 г. покинул Италию и поселился в США. Второго декабря 1942 г. атомный реактор, работавший на уране, оксиде урана и графите, был приведен в «критическое состояние». В нем поддерживалась цепная реакция, и в результате деления атомного ядра урана была получена энергия.

К 1945 г. были изготовлены устройства, в которых при подрыве небольшого заряда взрывчатого вещества, происходило сближение двух порций урана. Суммарная масса этих двух порций урана превышала критическую. Благодаря воздействию космических лучей в атмосфере всегда имеются случайные нейтроны, так что в критической массе урана сразу же начиналась цепная ядерная реакция, которая сопровождалась взрывом неведомой до тех пор силы.

Первая такая «А-бомба», или «атомная бомба» (или правильнее бомба расщепления) была взорвана в июле 1945 г. в Аламогордо, шт. Нью-Мехико. К следующему месяцу были изготовлены еще две бомбы, которые в конце второй мировой войны были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки.

Однако деление ядра атома урана применяется не только о целью разрушения. Когда процесс получения энергии поддерживается на постоянном безопасном уровне, расщепление ядра можно использовать и в целях созидания. В пятидесятых - шестидесятых годах было построено большое число ядерных реакторов , предназначенных для получения электрической энергии [6].

Выделением большого количества энергии сопровождается не только деление тяжелых атомов, но и объединение двух легких ядер в одно более тяжелое (термоядерный синтез). Колоссальное количество энергии выделяется, например, при соединении ядер водорода, приводящем к образованию гелия.

Для того чтобы заставить объединиться атомы водорода, необходимо преодолеть заслон из электронного облака, что требует огромной энергии. Такие реакции происходят в глубинах Солнца и других звезд. Солнечная энергия (количество которой не уменьшается в течение миллиардов лет) является энергией ядерного синтеза.

В 50-х годах XX в. был разработан способ получения энергии, необходимой для ядерного синтеза. В качестве источника энергии была использована бомба расщепления, и в результате была получена ядерная бомба еще большей разрушительной силы, которую называют по-разному: «водородная бомба», «Н-бомба», «термоядерная бомба», но более правильное название - бомба термоядерного синтеза.

Разработаны и испытаны бомбы термоядерного синтеза с потенциалом разрушения в тысячи раз большим, чем у первых бомб расщепления. Одна большая бомба термоядерного синтеза может полностью разрушить самый крупный город мира, а если взорвать все имеющиеся сейчас бомбы термоядерного синтеза, то взрывная волна, пожары и радиоактивные осадки уничтожат все живое на земле.

Однако термоядерный синтез можно (и должно!) использовать не для разрушения. Одной из наиболее важных экспериментальных работ, проводимых в настоящее время, является попытка получить чрезвычайно высокие температуры, в сотни миллионов градусов, управляемым способом (а не в центре взрывающейся бомбы расщепления) и поддерживать эти температуры достаточно долго, с тем чтобы началась реакция термоядерного синтеза [7].

Управляя скоростью такой реакции, можно создать фантастические запасы энергии. В качестве топлива пригоден дейтерий, или тяжелый водород, который в огромных количествах (вполне достаточных на миллионы лет) имеется в воде океанов.

Никогда раньше человечеству не грозило так реально полное уничтожение, но и никогда раньше человечество не могло рассчитывать на то процветание, которое возможно в случае отказа от применения термоядерного оружия. Но судьба человечества не может зависеть от прогресса только одной из областей науки.

Мы приобретаем знания. Эти знания дает нам наука.

Теперь мы должны быть еще и мудрыми!



____________________

[1] См.: Старосельская-Никитина О. А. Эрнест Резерфорд (1871-1937). - М.: Наука, 1967, 316 с.

[2] Космические лучи состоят из частиц, проникающих в атмосферу Земли из космического пространства. Эти частицы, главным образом протоны, разгоняются до почти невообразимых энергий электрическими полями звезд и самой галактики.

[3] См.: Трифонов Д. Н. Структура и границы периодической системы. - М.: Атомиздат, 1969, 271 с.

[4] Имеется в виду резерфордий.

[5] Строго говоря, атом с большей массой имеет большее число нейтронов по отношению к его массовому числу. Таким образом, кальций-40 содержит 20 нейтронов, что составляет 0,5 от его массового числа, а уран-238 содержит 146 нейтронов, что составляет 0,65 его массового числа.

[6] СССР был первым государством, начавшим использовать атомную энергию в мирных целях. 27 июня 1954 г. в г. Обнинске была пущена первая в мире атомная электростанция мощностью в 5 МВт. 5 декабря 1957 г. в СССР было спущено на воду первое в мире судно гражданского назначения с ядерной силовой установкой - атомный ледокол «Ленин».

[7] В СССР велись широкие исследования по созданию установок по управляемому термоядерному синтезу.


http://chemistry-che...2012-U1-14.html
Изображение

#4 Rostam

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 1 482 сообщений

Отправлено 16 Февраль 2012 - 01:39

Hейтрино

Нейтрино был открыт по причине уверенности учёных в том, что
фундаментальный закон физики - закон сохранения энергии
справедлив для всех систем. Ещё в самом начале ХХ века во время
изучения бета-распада радиоактивных ядер, физики, как скрупулезные
бухгалтеры, старались свести баланс энергии, но безуспешно.
Он никак не сходился: часть энергии пропадала неведомо куда.
Таким образом, под угрозой оказался один из фундаментальных
законов физики — закон сохранения энергии. Дело в том, что
большинство законов физики выведено опытным путём, а опыт может
быть не достаточен, можно лишь утверждать что-то для определенных
условий. Как только границы опыта расширяются, и меняются условия,
некоторые законы перестают действовать. По этому, перед учеными
встала задача, либо найти объяснение феномену исчезновения энергии,
либо пересмотреть основной фундаментальный закон физики.

Спас положение науки швейцарский физик Вольфганг Паули,он в 1930 г.
высказал предположение, что при бета-распаде вместе с
электроном рождается какая-то частица — невидимка, которая
и уносит недостающую часть энергии. А незамеченной она частица
остается потому, что не имеет массы покоя и электрического
заряда и не способна отрывать электроны от атома или расщеплять
ядра, другими словами, она не может производить те привычные эффекты,
по которым принято судить о появлении частицы. К тому же она еще и
очень слабо взаимодействует с веществом, и какследствие может проходить
через большую толщу вещества, не обнаруживая себя.

В то время ученым были известны только электрон, протон и
фотон, и по этому подобное предположение требовало большой смелости
и серьезного научного обоснования. И физики не прогадали, познее стало
ясно, что гипотеза о существовании нейтрино «спасла» не только закон
сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента
количества движения, а также основные принципы статистики
частиц в квантовой механике. А сама гипотеза Паули естественным
образом вошла в теорию бета-распада, созданную Ферми в 1934 году.
И хотя существование нейтрино было обоснованно, эта частица еще долго
была гипотетической. Совершенно необходимая ученым для объяснения
многих легко наблюдаемых превращений сами она на протяжении более
чем 20 лет оставались неуловимой.

Наблюдение реакций, связанных с нейтрино, стало возможным только
в эпоху появления ядерных реакторов. Ученые физики многих стран
пытались экспериментально подтвердить существование теоретически
«вычисленной» частицы. Так как для окончательного доказательства
частицы необходимо было увидеть его непосредственное
воздействие на вещество. Однако так вышло, что вначале удалось
обнаружить не нейтрино, а его античастицы — антинейтрино, которые
в результате бета-распада осколков деления урана во время работы
атомного реактора испускаются в огромном количестве. Такой
опыт был осуществлен в 1953 году американскими учеными Фредериком
Рейнесом и Клайдом Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Они обнаружили
характерную цепочку событий, которую вызвали антинейтрино.
Этот эксперимент, с учетом «призрачности» свойств частиц, получил
название проект «Полтергейст». За участие в этих исследованиях и
за последующие эксперименты ученый-физик Фредерик Рейнес был в
1995 году удостоен Нобелевской премии.


Физикам очень хочется узнать, обладает ли нейтрино массой, так как
результат этих исследований возможно серьезно поколебает стройную
теорию о стандартной модели материи. Обнаружение массы нейтрино
особенно важно для астрофизиков, так как это помогло бы разрешить
парадокс «скрытой массы» и прояснить проблемы, касающиеся судьбы
Вселенной, а также многие другие вопросы космологии.


По сути можно выделить три причины популярности нейтрино:

1. Уже давно стоит вопрос о массе нейтрино - она может быть
равна нулю, но ничего не мещает ей иметь значение отличное от нуля.
Во втором случае, нейтрино может играть большую роль в устройстве
Вселенной, являясь одним из видов "темной материи", которая составляет
большую часть массы Вселенной и природа которой до сих пор не установлена.

2. С нейтрино связана самая интригующaя загадка Солнца -
недостаток солнечных нейтрино по сравнению с тем, что дали бы
термоядерные реакции, поддерживая его светимость на наблюдаемом уровне.

3. Нейтрино могут быть подвержены очень красивому эффекту
квантомеханических осцилляций, таким образом с одной стороны объяснился
бы эффект недостатока Солнечных нейтрино, а с другой, это
свидетельствовало бы о том что масса нейтрино не нулевая.
Но несмотря на всю важность, нейтрино остается трудным объектом для
исследования из-за малого сечения взаимодействия с веществом.
Именно поэтому проблемы, связанные с нейтрино дожили до
наших дней.

Сообщение отредактировал Ice: 16 Февраль 2012 - 01:40


#5 Triff11

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 8 206 сообщений
  • LocationЛатвия. Рига

Отправлено 20 Февраль 2012 - 02:46

KВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Физики вскоре смогут создавать черные дыры в лаборатории.

Бернард Карр, Стивен Гиддингс


С тех пор как почти 80 лет назад изобрели ускорители элементарных частиц, их использовали для решения таких задач, как разрушение атомов, превращение элементов, создание антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе.
Но, возможно, вскоре исследователи смогут формировать наиболее таинственные объекты Вселенной - черные дыры.

Изображение

Черные дыры обычно представляются массивными монстрами, способными заглатывать космические корабли и даже звезды. Но дыры, которые, возможно, будут созданы в ускорителях высокой энергии (например, в Большом адронном коллайдере (БАК), который будет запущен в 2007 г. в ЦЕРНе под Женевой), приходятся дальними родственниками тем астрофизическим "бегемотам". Это микроскопические объекты размером с элементарную частицу. Они не смогут разрывать звезды, не станут господствовать в галактиках или угрожать нашей планете. Но их свойства поразительны: они должны испаряться вскоре после своего рождения, освещая датчики частиц, подобно рождественской елке. Таким образом, они могли бы дать ключ к пониманию связи пространства и времени и к решению вопроса о том, существуют ли другие измерения.

ДВА ТИПА ЧЕРНЫХ ДЫР

Астрофизические черные дыры являются остатками массивных звезд, которые сколлапсировали под собственным весом. Когда на них падает вещество, они действуют как космические ГЭС, преобразующие гравитационную потенциальную энергию - единственный источник энергии, способный объяснить мощные потоки рентгена и быстрые газовые струи, наблюдаемые у рентгеновских двойных систем.

Изображение

Микроскопические черные дыры могут иметь массу, как у крупного астероида. Они могли возникнуть сразу после Большого взрыва при сжатии уплотнений. Если пространство имеет скрытые измерения, то дыры могут рождаться и сегодня при столкновении быстрых частиц. Вместо того, чтобы заглатывать вещество, они должны испускать излучение и быстро распадаться.

Мощное сжатие

Современная концепция черных дыр родилась из общей теории относительности Эйнштейна, согласно которой, если вещество сжать, его гравитация может стать настолько сильной, что очертит область пространства, из которой ничто не сможет вырваться и границу которой называют горизонтом событий черной дыры. Объекты могут попадать внутрь нее, но ни один не может выйти наружу. В случае, когда пространство не имеет скрытых измерений или же эти измерения меньше дыры, ее размер прямо пропорционален ее массе. Чтобы Солнце стало черной дырой, его надо сжать до радиуса в 3 км, т.е. в 4 млн. раз, а Землю - до радиуса в 9 мм, т. е. в миллиард раз.

Следовательно, чем меньше дыра, тем сильнее должно быть сжатие. Плотность, до которой должно быть сжато вещество, обратно пропорционально квадрату массы. Для дыры с массой Солнца нужна плотность около 1019 кг/м3, что выше плотности атомного ядра. Вероятно, это самая высокая плотность, которую гравитационный коллапс может создать в современной Вселенной. Объекты менее массивные, чем Солнце, сопротивляются коллапсу, поскольку их удерживает от сжатия квантовая сила отталкивания между субатомными частицами. Наблюдения показывают, что самые легкие кандидаты в черные дыры имеют массу, равную шести массам Солнца.
Но коллапс звезд - не единственный способ рождения черных дыр. В начале 1970-х гг. Стивен Хокинг (Stephen W. Hawking) из Кембриджского университета и один из нас (Карр) исследовали механизм формирования дыр в ранней Вселенной.
Их называют первичными черными дырами. По мере расширения пространства средняя плотность вещества уменьшается, следовательно, в прошлом она была намного выше и достигала ядерного уровня в первые микросекунды после Большого взрыва. Известные законы физики применимы до плотности вещества, равной так называемой плотности Планка (1097 кг/м3), при которой сила гравитации становится так велика, что квантово-механические флуктуации должны порвать "ткань" пространства-времени. Такой плотности было бы достаточно, чтобы создать черные дыры диаметром всего лишь 10-35 м (длина Планка) и массой 10-8 кг (масса Планка).

Такова самая легкая черная дыра, которая может сформироваться с точки зрения стандартной теории гравитации. Она намного массивнее, но значительно меньше размером, чем элементарная частица. Постепенно, по мере уменьшения плотности космической материи, могли формироваться все более массивные первичные черные дыры. Те, что имели массу меньше 1012 кг, были бы размером меньше протона, а те, что с большей, должны были обладать параметрами обычных физических объектов. Дыры, родившиеся в эпоху, когда космическая плотность соответствовала ядерной, обладали бы массой примерно как у Солнца, т.е. были бы макроскопическими объектами.

Высокая плотность ранней Вселенной была необходима для рождения первичных черных дыр, но не гарантировала их появления. Чтобы в некоторой области пространства расширение остановилось и начался коллапс, нужно, чтобы плотность черной дыры оказалась выше средней, так что необходимы еще и флуктуации. Астрономы знают, что они были, по крайней мере, в крупных пространственных масштабах, иначе не образовались бы галактики и их скопления. Для формирования первичных черных дыр эти колебания должны быть сильными в малых масштабах, что также возможно. Но даже при отсутствии флуктуаций дыры могли формироваться спонтанно в разные моменты космологических фазовых переходов: например, когда во Вселенной закончился ранний период ускоренного расширения,
известный как инфляция, или в эпоху ядерной плотности, когда такие частицы, как протоны, конденсировались из составляющих их кварков. В конце концов космологи могут наложить сильные ограничения на модели ранней Вселенной, исходя из того, что в первичных черных дырах заключено не слишком много вещества.

КАК СДЕЛАТЬ ЧЕРНУЮ МИНИ-ДЫРУ.

Первичные флуктуации плотности

В раннюю эпоху эволюции Вселенной пространство было заполнено плотной и горячей плазмой. Ее плотность менялась, поэтому там, где плотность была достаточно высокой, плазма могла коллапсировать в черную дыру.

Изображение
Столкновения космических лучей

Космические лучи, частицы высокой энергии от космических источников, попадая в атмосферу Земли, могут рождать черные дыры. Взрываясь, последние будут излучать кванты и вторичные частицы, которые можно зарегистрировать у поверхности Земли.

Изображение
Ускоритель частиц

Ускоритель типа БАК сможет столкнуть две частицы с такой силой, что они, возможно, сколлапсируют в черную дыру. Датчики могли бы зарегистрировать последующий распад дыры.

Изображение
Что упало, то пропало?

Осознание того, что дыры могут быть маленькими, заставило Хокинга задуматься, какие квантовые эффекты могут при этом возникать. В 1974 г. он пришел к выводу, что черные дыры не только заглатывают частицы, но и выплевывают их. Хокинг предсказал, что дыра излучает тепло, как горячий уголек, с температурой, обратно пропорциональной массе дыры. У дыры с массой Солнца температура всего миллионные доли кельвина, что очень мало для нынешней Вселенной. Но у черной
дыры с массой 1012 кг (это масса средней горы) температура 1012 К, что уже достаточно для испускания как безмассовых частиц, типа фотонов, так и массивных электронов и позитронов. Поскольку излучение уносит энергию, масса дыры постепенно уменьшается. Так что
черная дыра весьма нестабильна: излучая, она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее и быстрее. Когда дыра съеживается до массы около 1000 тонн, она в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы.
У дыры с массой Солнца жизнь невообразимо длинна - 1064 лет. Дыра с массой 1012 кг живет 1010 лет - возраст современной Вселенной. Следовательно, первичные черные дыры такой массы сейчас должны именно заканчивать свое испарение и взрываться. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.
Работа Хокинга ознаменовала огромный рывок вперед, поскольку объединила три разные области физики: общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику. Это был также шаг к созданию квантовой теории гравитации. Даже если первичные черные дыры никогда не рождались, их теоретическое изучение привело к значительным открытиям в физике, в частности, выявило парадокс, возникающий при попытке согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.
Согласно теории относительности, информация о том, что попало в черную дыру, утеряна навсегда. Однако если дыра испаряется, то что происходит с информацией, содержавшейся внутри? Согласно предположению Хокинга, черные дыры полностью испаряются, уничтожая при этом информацию, что противоречит принципам квантовой механики. Разрушение информации не согласуется с законом сохранения энергии и делает подобный сценарий неправдоподобным.
Предположение о том, что от черных дыр что-то остается, также неприемлемо. В этом случае должно быть бесконечное разнообразие типов таких остатков, чтобы они смогли закодировать всю информацию о содержимом черной дыры. Но законы физики гласят, что частота рождения частиц пропорциональна количеству их типов. Значит, остатки черной дыры должны были бы рождаться в бесконечном количестве, даже при включении обычной микроволновой печки. В таком случае в природе все стало бы неустойчивым.
Есть и третья возможность. Положение о локальности, согласно которому события в разных точках пространства могут влиять друг на друга только после того, как свет от одного дошел до другого, - неверно. Это до сих пор является камнем преткновения для теоретиков.

(см. "Сингулярный компьютер", "В мире науки", №2, 2005 г.).

Рождение и смерть квантовой черной дыры

При соответствующих условиях две частицы (показанные здесь как волновые пакеты), столкнувшись, могут создать черную дыру. Новорожденная дыра асимметрична, она может вращаться, вибрировать и иметь электрический заряд. (Время и масса приблизительны. Энергия в 1 ТэВ эквивалентна массе около 10-24 кг.)

Изображение

Успокаиваясь, черная дыра излучает гравитационные и электромагнитные волны.
Как сказал физик Джон Уилер (John A. Wheeler), "дыра теряет свои волосы", т. е. становится невыразительным объектом, имеющим только заряд, спин и массу. Да и заряд быстро уходит, когда дыра испускает заряженные частицы.

Изображение

Черная дыра уже не черная: она излучает. Сначала излучение уносит энергию вращения (спин), так что дыра замедляется и принимает сферическую форму. В основном излучение исходит вдоль экваториальной плоскости черной дыры. Перестав вращаться, черная дыра характеризуется только массой, которая также уносится излучением и массивными частицами, которые испускаются во всех направлениях.
Дыра приближается к массе Планка (минимально возможной массе согласно существующей теории) и становится ничем. Согласно теории струн она начнет испускать струны, т.е. самые фундаментальные частицы вещества.

Модель распада чёрной дыры
Изображение

Из центра трубки ускорителя (черный круг) вылетают частицы (штрихи), которые регистрируются слоями детекторов (концентрические цветные окружности).


Поиск дыр

Для развития физики требуются экспериментальные данные, поэтому, чтобы понять природу микроскопических черных дыр, их следует прежде всего найти. Одна из возможностей состоит в том, что астрономы могли бы обнаружить первичные черные дыры с начальной массой 1012 кг, взрывающиеся в современной Вселенной. Большая часть массы этих дыр должна превращаться в гамма-лучи. В 1976 г. Хокинг и Дон Педж (Don Page) из Калифорнийского технологического института доказали, что наблюдения фонового гамма-излучения существенно ограничивают возможное количество таких дыр. Например, в них не может быть заключена заметная доля темного вещества Вселенной, и их взрывы вблизи нас должны быть столь редкими, что их практически невозможно обнаружить. Однако в середине 1990-х гг. Дэвид Клайн (David Cline) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги предположили, что самые короткие гамма-вспышки могут иметь отношение к первичным черным дырам. Считается, что более длинные вспышки могут быть
связаны со взрывами или слияниями звезд, однако короткие могут иметь и другое объяснение. Будущие астрономические наблюдения помогут исследовать заключительный этап испарения черной дыры. Еще более захватывающая возможность - создание черных дыр при помощи ускорителей частиц. Когда нужно добиться высокой плотности, нет инструментов лучше, чем ускорители БАК и "Теватрон" Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми недалеко от Чикаго. Агрегаты разгоняют субатомные частицы, такие как протоны, до скоростей, предельно близких к скорости света. При этом частицы приобретают огромную кинетическую энергию. В БАК энергия протона достигает семи тераэлектрон-вольт (ТэВ). По формуле Эйнштейна E = mc2 эта энергия эквивалентна массе 10-23 кг, что в 7 тыс. раз больше массы покоя протона. Когда две такие частицы сталкиваются, их энергия концентрируется в крошечной области пространства. Поэтому можно предположить, что время от времени сталкивающиеся частицы прижимаются так тесно, что может образоваться черная дыра. Но масса 10-23 кг намного меньше массы Планка в 10-8 кг, которую обычная теория гравитации предлагает для самой легкой дыры. Этот нижний предел есть следствие квантовомеханического принципа неопределенности. Поскольку частицы ведут себя еще и как волны, они "размазываются" в некотором пространстве, которое уменьшается с ростом энергии: при энергиях БАК его размер 10-19 м. Это наименьшая область, в которую можно упаковать энергию частицы. Получается плотность 1023 кг/м3 - довольно высокая, но недостаточная для создания черной дыры. Чтобы частица была как энергичной, так и компактной, она должна иметь энергию Планка, что в 1015 раз больше энергии БАК. Несмотря на то что ускорители могли бы создать объекты, математически подобные черным дырам (и некоторые теоретики думают, что это уже сделано), сами дыры, похоже, лежат вне досягаемости.

ДЕЛАТЬ ДЫРЫ НЕЛЕГКО

Насколько сильно нужно сжать кусочек вещества, чтобы он превратился в черную дыру? Чем легче тело, тем сильнее нужно на него воздействовать, прежде чем его собственная гравитация станет достаточной для создания дыры. Планеты и люди гораздо дальше от этого предела, чем звезды (см. график). Волновая природа вещества препятствует сжатию, частицы не могут быть сжаты до размера меньшего, чем характерная длина их волны (см. рисунок), поэтому дыра не может иметь массу менее 10-8 кг. Но если у пространства есть дополнительные измерения, гравитация может существенно усиливаться на малых расстояниях, и объект не придется так сильно сжимать.

Изображение


К иным измерениям!

За прошедшее десятилетие физики поняли, что нет необходимости в достижении планковской плотности. Теория струн, одна из основных соперниц квантовой теории гравитации, предсказывает, что пространство имеет более трех измерений. Гравитация, в отличие от прочих сил, должна распространяться по всем этим измерениям и поэтому необычайно усиливаться на коротких расстояниях. В трехмерном пространстве сила гравитации учетверяется при уменьшении расстояния между объектами вдвое. Но в девятимерном пространстве гравитация стала бы в 256 раз сильнее. Данный эффект мог бы быть существенным, если бы дополнительные измерения пространства были достаточно большими. Но возможна и более сложная конфигурация дополнительных измерений - компактификация (т. е. свертывание дополнительных измерений), которая дает тот же эффект усиления гравитации и наиболее вероятна, если теория струн верна.
Дополнительный рост гравитации означает, что истинный масштаб энергии, при которой законы квантовой механики и гравитации смыкаются (и может родиться черная дыра), окажется намного меньше, чем предполагалось. Несмотря на то что пока нет экспериментальных подтверждений такой возможности, подобная идея проливает свет на многие теоретические загадки. И если предположение верно, то плотность, необходимая для рождения черной дыры, может лежать в пределах возможностей БАК.
Теоретические исследования образования черных дыр при высокоэнергичных столкновениях возвращают нас к работам Роджера Пенроуза (Roger Penrose) из Оксфордского университета середины 1970-х гг., а также Питера Д'Иза (Peter D'Eath) и Филипа Норберта Пейна (Philip Norbert Payne) из Кембриджа начала 1990-х гг. Возможность существования больших дополнительных измерений может вдохнуть новую жизнь в эти исследования, что и побудило Тома Бенкса (Tom Banks) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Вилли Фишлера (Willy Fischler) из Техасского университета приступить к обсуждению проблемы в 1999 г. В 2001 г. на конференции две группы ученых: один из авторов статьи Стивен Гиддингс и Скотт Томас (Scott Thomas) из Стэнфордского университета, а также
Савас Димопулос (Savas Dimopoulos) из Стэнфорда и Грег Ландсберг (Greg Landsberg) из Университета Брауна независимо описали то, что можно увидеть в коллайдерах частиц типа БАК. Не слишком сложные вычисления буквально ошеломили нас: оценки показали, что при оптимистическом сценарии, соответствующем самому низкому вероятному значению масштаба Планка, черные дыры могут рождаться с частотой одна дыра в секунду. Ускоритель, производящий частицы с такой частотой, физики называют фабрикой, так что БАК может стать фабрикой черных дыр, испарение которых не могло бы остаться незамеченным. Типичные столкновения дают умеренное количество энергичных частиц, но распадающаяся черная дыра - иное дело. Согласно Хокингу, она излучает во всех направлениях множество частиц с очень высокими энергиями. Продукты ее распада включают все существующие в природе типы частиц. Несколько групп ученых детально рассчитали характерные признаки, по которым детекторы БАК могут заметить черные дыры.

Изображение

Черные дыры различных размеров могли бы проникнуть в дополнительные измерения, которые иначе нам недоступны. Поскольку гравитация, в отличие от прочих сил, простирается в те измерения, черные дыры тоже их чувствуют. Физики могли бы изменять размер дыр, настраивая ускоритель частиц на разную энергию. Если дыра пересечет параллельную Вселенную, то станет распадаться быстрее и
выделять меньше энергии (поскольку ее часть будет уходить в другую Вселенную).

Водопад из черных дыр?

Перспектива создания черных дыр на Земле может показаться безумной. Откуда мы знаем, что они благополучно распадутся, как предсказывает Хокинг, а не продолжат свой рост и в конце концов не проглотят нашу планету? На первый взгляд, весьма обоснованная тревога, особенно если учесть, что некоторые детали исходной теории Хокинга могут быть неверны: скажем, утверждение, что информация разрушается в черных дырах. Однако общие принципы квантовой механики указывают, что микроскопические черные дыры не могут быть устойчивы, а значит, они безопасны. Концентрации энергии и массы, типа элементарных частиц, постоянны, только если какой-то закон сохранения запрещает их распад. Примерами служат сохранение электрического заряда и барионного числа. Но нет такого закона, который стабилизировал бы маленькую черную дыру. В квантовой теории все, что не запрещено, обязательно происходит, поэтому в соответствии со вторым законом термодинамики маленькие черные дыры быстро распадутся. Да и опыт подсказывает, что фабрика черных дыр не представляет опасности. Ведь столкновения с высокой энергией, такие как в БАК, уже имели место, например, в
ранней Вселенной. Изредка они происходят и теперь, когда быстрые частицы космических лучей влетают в нашу атмосферу: природа сама создает черные дыры.
Уже первые оценки Гиддингса и Томаса показали, что космические лучи высокой энергии (протоны или более тяжелые атомные ядра с энергиями до 109 ТэВ) могут рождать в атмосфере порядка 100 черных дыр в год. Кроме того, оба вышеуказанных ученых вместе с Дэвидом Дорфаном (David Dorfan) из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Томом Риццо (Tom Rizzo) из Стэнфордского центра линейного ускорителя, а также, независимо, Джонатан Фенг (Jonathan L. Feng) из Калифорнийского университета в Ирвине и Альфред Шейпер (Alfred D. Shapere) из Университета штата Кентукки доказали, что столкновения космических нейтрино могут быть даже более эффективны. Если это так, то новая Обсерватория космических лучей им. Оже в Аргентине, которая уже вступила в строй, и модернизируемая Обсерватория Fly's Eye ("Глаз мухи") в штате Юта смогут наблюдать по несколько дыр в год. Однако такие исследования не отменяют необходимость в экспериментах на ускорителях, где при контролируемых условиях может формироваться множество дыр.
Наличие черных дыр доказало бы существование скрытых измерений пространства, а наблюдая их свойства, физики могли бы исследовать "географию" измерений. Например, если создавать на ускорителе дыры все большей массы, они станут проникать все глубже в дополнительные измерения и сравниваться по размеру с одним или несколькими из них, демонстрируя при этом характерные изменения зависимости своей температуры от массы. К тому же если черная дыра становится достаточно большой, чтобы пересечься с параллельной трехмерной Вселенной в дополнительных измерениях, характеристики ее распада должны неожиданно
измениться.
Создание черных дыр в ускорителях позволило бы проникнуть в глубины материи. В прошлом столетии физики упорно продвигались к границам микромира: от мельчайших пылинок - к атомам, затем к протонам, нейтронам и, наконец, к кваркам. Если они смогут создавать черные дыры, то достигнут масштаба Планка, который, как полагают, является пределом расстояния, меньше которого сами понятия
пространства и длины, по-видимому, перестают существовать. Любая попытка исследовать существование более коротких расстояний, осуществляя столкновения при более высоких энергиях, неизбежно закончилась бы рождением черной дыры. Столкновения при больших энергиях, вместо того, чтобы дробить вещество на мелкие кусочки, приведут к рождению черных дыр все большего размера. Таким образом, их появление ознаменует конец важного направления науки. И возникнет новая задача - исследования дополнительных измерений пространства.

ОБЗОР: ФАБРИКИ ЧЕРНЫХ ДЫР

· Черные дыры могут иметь разнообразные размеры и даже быть меньше субатомных частиц. Крошечные дыры должны разрушаться квантовыми эффектами, а самые мелкие - взрываться сразу после рождения.
· Малые черные дыры могли остаться от ранних стадий Большого взрыва, поэтому астрономы пытаются обнаружить взрывы некоторых из них.
· Теоретики предполагают, что малые черные дыры могут возникать при столкновениях в современной Вселенной и даже на Земле. Правда, для этого потребуется гигантская энергия. Но если пространство имеет дополнительные измерения, то энергетический порог будет намного ниже, и дыры могли бы рождаться в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и при столкновении космических лучей с атмосферой. Физики могли бы использовать дыры для исследования дополнительных измерений пространства.


ОБ АВТОРАХ:

Бернард Карр, Стивен Гиддингс (Bernard Carr, Steven Giddings).

Карр — профессор Лондонского университета королевы Марии. Он заинтересовался астрофизикой после известного документального фильма Найджела Колдера (Nigel Calder) "Неистовая Вселенная", показанного в 1969 г. Позже он стал аспирантом Хокинга и одним из первых теоретически изучил маленькие черные дыры.

Гиддингс — профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, специалист по квантовой гравитации и космологии. Он одним из первых исследовал возможность создания черных дыр в ускорителях частиц.

(Журнал Scientific American)
Изображение

#6 Visor

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 102 сообщений

Отправлено 25 Февраль 2012 - 12:55

Это всё хорошо, всё правильно... Только, может быть, о физике стоило бы еще популярнее, ну что-нибудь из занимательной физики, что-ли...
Не спеши, и будешь первым

#7 Triff11

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 8 206 сообщений
  • LocationЛатвия. Рига

Отправлено 25 Февраль 2012 - 12:56

Просмотр сообщенияVisor (25 Февраль 2012 - 12:55 ) писал:

Это всё хорошо, всё правильно... Только, может быть, о физике стоило бы еще популярнее, ну что-нибудь из занимательной физики, что-ли...

Я только ЗА Изображение
Изображение

#8 Visor

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 102 сообщений

Отправлено 26 Февраль 2012 - 11:24

Цитата

Начиная с Бенджамина Франклина, все физики, исследовавшие электричество в XVIII и XIX вв., полагали, что ток течет от так называемого положительного полюса к отрицательному. Крукс показал ошибочность этого предположения. На самом деле ток течет от отрицательного полюса к положительному.
NB Вопреки этому факту при рассмотрении протекания электрического тока в проводниках нам до сих пор упорно твердят, что его направление от положительного полюса к отрицательному, ничтоже сумняшеся оговариваясь, что, мол, в физике ничего принципиально не меняется от изменения направления тока:)
Не спеши, и будешь первым

#9 Достоевский

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 824 сообщений

Отправлено 26 Февраль 2012 - 12:48

Просмотр сообщенияVisor (25 Февраль 2012 - 12:55 ) писал:

Это всё хорошо, всё правильно... Только, может быть, о физике стоило бы еще популярнее, ну что-нибудь из занимательной физики, что-ли...
Это ликбез, борьба с Новой Хронологией и т.д. ;)

#10 Visor

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 102 сообщений

Отправлено 26 Февраль 2012 - 12:49

Цитата

В течение первой четверти XX в., с момента открытия электрона, считалось доказанным, что электрон представляет собой очень маленький жесткий шарик. Однако в 1923 г. французский физик Луи Виктор де Бройль (род. в 1892 г.) представил теоретическое обоснование того, что электроны (а также и все другие частицы) обладают волновыми свойствами. К концу 20-х годов XX в. эта гипотеза была подтверждена экспериментально.
Не всё так однозначно ;)
Не спеши, и будешь первым

#11 Visor

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 102 сообщений

Отправлено 04 Март 2012 - 01:15

Опыты...
Не спеши, и будешь первым

#12 U-235

    Активный пользователь

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 2 208 сообщений
  • LocationЮжный Урал

Отправлено 04 Март 2012 - 08:12

Просмотр сообщенияVisor (25 Февраль 2012 - 12:55 ) писал:

Это всё хорошо, всё правильно... Только, может быть, о физике стоило бы еще популярнее, ну что-нибудь из занимательной физики, что-ли...
Ну, про строение атома и ядерную физику достаточно популярно, а про "черные дыры", ПМСМ,
еще недостаточно накоплено знаний, чтобы рассказать популярно.
А вообще, тема полезная и интересная. Те, кто получил среднее образование при СССР, знают,что такое "квантово - волновой дуализм", а те, кто получил в это же время высшее образование по техническим специальностям не шарахаются от словосочетаний "волна Де Бройля", "принцип неопределенности" и "уравнение Шрёдингера". :)

#13 Triff11

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 8 206 сообщений
  • LocationЛатвия. Рига

Отправлено 12 Март 2012 - 01:30

Хрупкий баланс

Из раздела «а вам слабо?» Выглядит удивительно, но это обыкновенная физика, хотя очень красиво и эффектно.

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение

Изображение
Изображение

#14 Rostam

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 1 482 сообщений

Отправлено 01 Апрель 2012 - 06:11

Цитата

Дмитрий Мотовилов
инженер г. Пенза
(Перепечатано из журнала "Техника молодежи", № 3, 1982 г.)
По витой лестнице наверх - в башню древней обсерватории поднимается звездочет и поэт Омар Хайям. Гулко бьется сердце - то ли от небывалых мыслей, властно и привычно захвативших его при взгляде на манящие огни в черном небе, то ли от трудного подъема по стершимся ступенькам. Далекие звезды, далекое небо…
Наступил век двадцатый. Идеи русских первооткрывателей - Кибальчича и Циолковского, воплощенные в реальные ракеты Королева, вывели человека в околоземное пространство.
Но звезды - звезды по-прежнему далеки для человека! Ведь расстояние до них так велико, что современный космический корабль будет лететь даже к самой ближайшей звезде многие тысячелетия… Двигаться быстрее попросту не возможно: запас горючего кончится, едва корабль выйдет за пределы солнечной системы. А все потому, что, преодолевая силы тяготения, ему приходится исторгать из себя лавину вещества - потенциального топлива, безвозвратно уходящего в космос через жерло камеры сгорания.
Звездолету нужен особый двигатель - на долгие тысячелетия работы, разумно расходующий каждый грамм животворной массы корабля.
Каким он может быть?
Принцип работы нового двигателя достаточно прост. Попробуем логически развить идею механического отталкивания от опорного тела. Прыгая, допустим, с борта лодки в воду, мы одновременно заставляем ее двигаться в противоположном направлении. Усложним опыт. Поднесем к магниту другой магнит. Первый оттолкнется, или притянется - в зависимости от положения полюсов. Причем взаимодействие осуществляется, так сказать, бесконтактно, одними полями. Ну а если бы вместо второго магнита у нас было бы только его поле, состоялся ли бы толчок? Наверняка. Поскольку же подобная ситуация сама по себе маловероятна, то воспримем из нее только идею и подумаем об электромагнетизме - здесь-то мы можем оперировать с силовыми полыми довольно широко. Представим два параллельных проводника А и Б, расстояние между ними равно R. Они обесточены, и сила их электродинамического взаимодействия равна нулю. Теперь пропустим через проводник Аимпульс тока I определенной длительности Изображение
Возникнет электромагнитное поле с магнитной индукцией В2, которое "подойдет" к Б через время 0,5τ. Теперь, в этот момент, пропустим через Б ток той же длительности. Взаимодействуя с полем В2, он вызовет появление силы Ампера FA, приложенной к проводнику Б, который получит импульс силы, толчок вперед. Первый же проводник останется в покое: ведь к моменту прихода поля проводника Б в область проводника А последний будет уже обесточен. Впрочем для повышения КПД процесса можно на этой стадии пропустить импульс и через А, но уже противоположного направления. Тогда сила удвоится. Так вот, почему бы нам не разместить подобные проводники в звездолёте? Правда, сразу же возникает не мало вопросов. Ну, во-первых, как мы назовем этот тип двигателя? Ракетный, радио, или, может быть, "полевой"? Ведь он, как видим, основан на истекании электромагнитного поля из рабочего пространства. Действительно, сложное математическое исследование энергии и массы его полей показало, что в результате их наложения во времени и пространстве энергия и масса суммарного поля фокусируется в направлении, противоположном силе тяги. Формулы говорят о том, при этом образовывается некая бесконечная пространственно-временная линза - невесомый эквивалент идеального зеркала фотонолета, фокусирующий мощное радиоизлучение корабля. Сквозь это невидимое сопло звездолет со скоростью света исторгает в космос материю в форме полей, обладающих энергией и массой. Максимально возможная скорость излучения этой массы V=Cсвидетельствует о достигнутом нами частном пределе экономии расхода массы звездолета. Общий же КПД составляет 10-15% из-за отсутствия совершенных технических средств, позволяющих точно "сфокусировать" пространственно-временную линзу. Основные параметры "полевого" двигателя связаны простой формулой, выражающей физический смысл его силы тяги - реакции излучаемого через пространственно-временную линзу поля массой М: Изображение
где FA - неуравновешенная сила Ампера, рассчитанная по известным электродинамическим формулам, t - время работы двигателя. Она связывает воедино такие разобщенные физические явления, как сила Ампера и инерция электромагнитного поля, и дает представление о неуравновешенной силе Ампера как о реакции излучения. Расчеты показывают, что в частном случае один мегаватт энергии, израсходованной нашим двигателем, порождает силу тяги в несколько килограммов.
А идеальный фотонный двигатель с КПД, равным 100%, дает на один мегаватт тягу значительно меньшую!
Ошибка в вычислениях? Нет. Повторный подсчет удельной силы тяги нового двигателя другим способом - как реакции излучения массы суммарного поля проводников А и Б - дает точно такой же количественный результат.
Физическое же истолкование его, на наш взгляд, может быть одним: масса суммарного поля АБпроводников А и Б, пропорциональная квадрату вектора напряженности Е, значительно больше масс одиночно существующих полей А и Б.
"Небольшой" КПД нашего двигателя отражает всего лишь потенциальную возможность его совершенствования (увеличения силы тяги с 15 до 100 процентов при том же расходе энергии), а это позволяет построить теорию космического корабля, обладающего в несколько раз большим запасом хода, чем идеальный фотонный звездолет. Вообще фотонолетам будет трудно соперничать с кораблем оснащенным "полевым" двигателем. И не только по той причине, что КПД последнего высок. Двигатель с лазерным излучателем не способен "выдавать" в непрерывном режиме достаточную для межзвездного путешествия мощность, поскольку предельно возможная плотность потока энергии проходящего через объем рабочего вещества лазера относительно мала. Двигатель будет иметь гигантские, недопустимо большие размеры…

http://www.ufo.otche...b-motovilov.htm


Цитата

Итак, внешне двигатель Мотовилова, как назвал его изобретатель, будет похож на небольшой спасательный круг, по форме магнита, составляющего основную его часть. Размер - примерно с почтовый ящик. По весу равен автомобильному аккумулятору. При этом ни бензобак, ни сам аккумулятор не нужны. Самое главное - себестоимость такого двигателя чрезвычайно низкая, а мощность в несколько раз больше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания.
http://anomalia.kuli...u/text6/650.htm



В ходе развития коммерции в постсоветском обществе идеи талантливого физика из Пензы, так и не воплощённые в жизнь советской космической бюрократией, продолжающей упорно ставить на привычные ракетные технологии, получили новый толчок и продолжают развиваться.
Вот уже есть реализаторские идеи для прикладного использования этих новых технологий:




Цитата




Нам долгое время не давали работать в этом направлении, но теперь мы готовы сделать БУМ!

В настоящее время мы ведем разработки стационарных генераторов мощностью от 1кВт до 1мВт и более (под заказ). Клиенты получают не отдельные двигатели, а комплектное оборудование для выработки электричества, а также аппаратуру управления. Эти комплексы полностью закрыты и опломбированы, и клиенты не могут их открыть. Информация об их месте нахождения и возможном неправомерном перемещении автоматически посредством GPS и связи GMS поступает на центральный контрольный пульт…».
Компания разрешаeт производить Alternative Еnergy только при условии, что выключатель от каждого генератора будет в его руках. ОНИ по-прежнему хотят держать все под своим контролем.

1. Актуальность проблемы.

Обусловлена резким ухудшением экологической обстановки во всем мире и катастрофическим для народа общим ростом цен, который диктуют владельцы нефтегазовых ресурсов, постоянно повышая цены на газ, нефть, бензин.

2. Что дает проект Alternative Еnergy

Полная и практически вечная стабилизация цен на энергию, и соответствующая стабилизация цен на все остальные виды благ в составе ВВП.
– Обеспеченность удаленных от городов любых, даже самых маленьких точек поселения, вплоть до жилья в глухой тайге или тундре, пустыне, на любом садовом участке, в любой деревне, постоянным и бесплатным, безвредным и бесшумным теплом и электричеством для дома, хозяйства и транспорта.
– Резкий отток населения из городов и снижение уровня преступности и заболеваний, рост демографии, освоение огромных запущенных пространств, рост производства и качества натуральных продуктов питания, выращивание теплолюбивых культур в теплицах круглый год, ликвидация опасности экологических катастроф, демонтаж трубопроводов газа, нефти, углеводородной металлургии, линий электропередач ВН, электролиний железных дорог и городских воздушных осветительных и транспортных электролиний, ликвидация транспорта с ДВС, замена его на электротранспорт, резкое оздоровление атмосферы в городах и физического состояния населения…


4. Сроки для мирового рынка.

2011 год – начало серийного выпуска Alternative Еnergy
2012 год – выход на полномасштабное производство, обеспечение Alternative Еnergy для каждой семьи.
2016 год – полная реформа энергетики транспорта и промышленности.

Следите за новостями сайта: www.energy.ucom.com

В данный момент ведутся разработки и испытания Alternative Еnergy


Цена: €1 000 000 Заказать

http://trikke.spravk...roducts/19.html

Сообщение отредактировал Ice: 01 Апрель 2012 - 06:33


#15 keyser

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 490 сообщений

Отправлено 26 Май 2012 - 10:37

Безтопливные энергетические технологии







Количество пользователей, читающих эту тему: 1

0 пользователей, 1 гостей, 0 анонимных